DE69703546T2 - FIXED BED OF NANO FIBERS WITH IMPROVED FLOW CHARACTERISTICS - Google Patents
FIXED BED OF NANO FIBERS WITH IMPROVED FLOW CHARACTERISTICSInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft allgemein Nanofaserfüllbetten mit verbesserten Eigenschaften bezüglich der Flüssigkeitsströmung bzw. des Flüssigkeitsdurchlaufs und Verfahren zu deren Herstellung und Verfahren zu deren Verwendung. Insbesondere betrifft die Erfindung Nanofasern, die gleichmäßig oder ungleichmäßig mit unterstützenden Gerüstteilchen gemischt werden, um Füllbetten zu bilden, die erhöhte Flüssigkeitsdurchlaufgeschwindigkeiten und eine erhöhte durchschnittliche Gesamtporengröße aufweisen. Noch genauer betrifft die Erfindung die Verwendung solcher Füllbetten für eine Reihe von Verwendungszwecken einschließlich Produkten wie Durchflusselektroden, Chromatografiemedien bzw. -träger, Adsorptionsmittel und Filter.The invention relates generally to nanofiber packed beds with improved liquid flow properties and to methods of making and using the same. More particularly, the invention relates to nanofibers that are uniformly or non-uniformly mixed with supporting scaffold particles to form packed beds that have increased liquid flow rates and increased overall average pore size. More particularly, the invention relates to the use of such packed beds for a variety of uses including products such as flow electrodes, chromatography media, adsorbents, and filters.
Verflochtene Nanofasermatten und Nanofasersysteme bzw. -Zusammensetzungen wurden früher hergestellt, um die erhöhte Oberfläche pro Gramm vorteilhaft zu nutzen, welche durch Verwendung extrem dünner Faserdurchmesser erreicht wurde. Diese früheren Matten oder Zusammensetzungen liegen entweder in Form von kompakten, dichten Matten von miteinander verflochtenen Fasern vor und/oder sind auf mikroskopische Strukturen (das heißt mit einer größten Abmessung von weniger als 1 Mikron) begrenzt. Verflochtene Nanofasermatten oder Nanofaserzusammensetzungen bzw. -Systeme wurden früher hergestellt, indem Nanofasern in wässrigen oder organischen Medien dispergiert wurden, gefolgt von dem Filtrieren der Nanofasern unter Bildung einer Matte. Die Matten wurden auch hergestellt, indem ein Gel oder eine Paste von Kohlenstofffibrillen in einem Fluid, z. B. einem organischen Lösungsmittel wie Propan, hergestellt und dann das Gel oder die Paste auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur des Mediums erwärmt, das überkritische Fluid entfernt und schließlich die resultierende poröse Matte oder der Pfropfen aus dem Gefäß, in welchem das Verfahren durchgeführt wurde, entfernt wurde. Vergleiche US- Patentanmeldung Nr. 08/428,496 mit dem Titel "Three Dimensional Macroscopic Assemblages of Randomly Oriented Carbon Fibrils and Composites Containing Same" von Tennent et al., die hiermit durch Bezugnahme eingeführt wird.Interwoven nanofiber mats and nanofiber systems or compositions have previously been prepared to take advantage of the increased surface area per gram achieved by using extremely thin fiber diameters. These earlier mats or compositions are either in the form of compact, dense mats of interwoven fibers and/or are limited to microscopic structures (i.e., with a largest dimension of less than 1 micron). Interwoven nanofiber mats or nanofiber compositions or systems have previously been prepared by dispersing nanofibers in aqueous or organic media, followed by filtering the nanofibers to form a mat. The mats have also been prepared by preparing a gel or paste of carbon fibrils in a fluid, e.g., an organic solvent such as propane, and then heating the gel or paste to a temperature above the critical temperature of the medium, removing the supercritical fluid, and finally removing the resulting porous mat or plug from the vessel in which the process was carried out. See U.S. Patent Application No. 08/428,496, entitled "Three Dimensional Macroscopic Assemblages of Randomly Oriented Carbon Fibrils and Composites Containing Same" by Tennent et al., which is hereby incorporated by reference.
Ein Nachteil der früheren Zusammensetzungen oder Matten, welche durch die oben beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, ist eine schlechte Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaft innerhalb der Struktur. Wenn die Nanofasersuspensionen von der Suspensionsflüssigkeit, insbesondere Wasser, getrocknet werden, neigt die Oberflächenspannung der Flüssigkeit dazu, die Nanofasern in eine dicht gepackte "Matte" zusammenzuziehen. Alternativ kann die Struktur einfach zusammenbrechen. Die Porengröße der resultierenden Matte wird durch die Abstände zwischen den Fasern festgelegt, welche auf Grund der Kompression dieser Matten dazu neigen, recht klein zu sein. Daraus resultiert, dass die Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften solcher Matten schlecht sind.A disadvantage of the previous compositions or mats made by the methods described above is poor fluid permeability within the structure. When the nanofiber suspensions are dried from the suspension liquid, particularly water, the surface tension of the liquid tends to pull the nanofibers together into a tightly packed "mat." Alternatively, the structure may simply collapse. The pore size of the resulting mat is determined by the spacing between the fibers, which tend to be quite small due to the compression of these mats. As a result, the fluid permeability of such mats is poor.
Obwohl frühere Arbeiten gezeigt haben, dass Nanofasern zu gepackten, dünnen, membranartigen Zusammensetzungen bzw. Systemen, durch welche ein Fluid bzw. eine Flüssigkeit hindurchströmen kann, zusammengefügt werden können, führen die kleinen Durchmesser der Nanofasern daher zu einer sehr kleinen Porenstruktur, die der Fluidströmung bzw. der Flüssigkeitsströmung einen großen Widerstand entgegensetzt.Therefore, although previous work has shown that nanofibers can be assembled into packed, thin, membrane-like compositions or systems through which a fluid can flow, the small diameters of the nanofibers result in a very small pore structure that presents a large resistance to fluid flow.
Es wäre wünschenswert, die oben genannten Nachteile durch Herstellung eines porösen Füllbetts mit verbessertem Flüssigkeitsdurchlauf und einer geänderten Porengrößenverteilung zu überwinden, da es Anwendungen für poröse Nanofaserfüllbetten gibt, die einen Flüssigkeitsdurchfluss benötigen, und der Widerstand gegenüber dem Flüssigkeitstransport erzeugt ernste Einschränkungen und/oder Nachteile für solche Anwendungen. Die verbesserten Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften, welche durch diese Erfindung bewirkt werden, machen solche Anwendungen eher möglich und/oder effizienter.It would be desirable to overcome the above disadvantages by producing a porous packed bed with improved fluid flow and an altered pore size distribution, since there are applications for porous nanofiber packed beds that require fluid flow and the resistance to fluid transport creates serious limitations and/or disadvantages for such applications. The improved fluid flow properties provided by these invention make such applications more possible and/or more efficient.
Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, poröse Nanofaserfüllbettstrukturen mit verbesserten Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften und/oder erhöhter durchschnittlicher Porengröße bereitzustellen.It is therefore an object of this invention to provide porous nanofiber packed bed structures with improved fluid flow properties and/or increased average pore size.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Materialzusammensetzung bereitzustellen, die ein dreidimensionales, makroskopisches Nanofaserfüllbett umfasst, welches aus einem Gemisch von willkürlich orientierten Nanofasern und größeren Gerüstteilchen besteht.It is a further object of the invention to provide a material composition comprising a three-dimensional, macroscopic nanofiber filling bed consisting of a mixture of randomly oriented nanofibers and larger scaffold particles.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Verfahren für die Herstellung von Nanofaserfüllbetten mit verbesserten Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften und Verfahren zu deren Verwendung bereitzustellen. Es ist außerdem eine weitere Aufgabe der Erfindung, verbesserte Filtermedien, Chromatografiemedien bzw. -träger, Adsorptionsmittel, Elektroden, EMI-Abschirmungen und andere Zusammensetzungen von industriellem Wert bereitzustellen, welche auf dreidimensionalen porösen Nanofaserfüllbetten basieren.It is a further object of the invention to provide methods for making nanofiber packed beds with improved liquid flow properties and methods of using them. It is also a further object of the invention to provide improved filter media, chromatography media or supports, adsorbents, electrodes, EMI shields and other compositions of industrial value based on three-dimensional porous nanofiber packed beds.
Die vorstehend genannten und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen offenbart oder werden aus diesen ersichtlich.The above and other objects and advantages of the invention are disclosed in or will be apparent from the following description and drawings.
Der allgemeine Bereich dieser Erfindung betrifft aus Nanofaserfüllbetten gefertigte poröse Materialien. Insbesondere betrifft die Erfindung die Veränderung der Porosität oder der Füllstruktur bzw. Packungsstruktur einer Nanofaserfullbettstruktur durch Mischen von Nanofasern mit Gerüstteilchen, welche größere Abmessungen aufweisen. Beispielsweise dient die Zugabe von Fasern mit größerem Durchmesser zu einem Nanotube- bzw. Nanoröhrenfullbett als ein Gerüst, das die kleineren Nanofasern gegenseitig auf Abstand hält und verhindert, dass die Nanofaserfullbettstruktur zusammenbricht. Dies erhöht die durchschnittliche Porengröße der Matte, indem die Porengrößenverteilung verändert wird, und verändert die Packung s Struktur des Füllbetts. Die Zunahme der durchschnittlichen Porengröße wird durch die Erzeugung größerer Kanäle verursacht, was den Durchlauf von Flüssigkeiten oder Gasen durch diese Materialien verbessert.The general scope of this invention relates to porous materials made from nanofiber infill beds. In particular, the invention relates to altering the porosity or the packing structure of a nanofiber packed bed structure by mixing nanofibers with scaffold particles that have larger dimensions. For example, adding larger diameter fibers to a nanotube packed bed acts as a scaffold that keeps the smaller nanofibers spaced apart and prevents the nanofiber packed bed structure from collapsing. This increases the average pore size of the mat by changing the pore size distribution and changes the packing structure of the packed bed. The increase in average pore size is caused by the creation of larger channels, which improves the flow of liquids or gases through these materials.
Folglich ist es ein Anliegen der Erfindung, die durchschnittliche Porengröße und die Packungsstruktur von gepackten Nanofaserschichten zu verändern, indem größere Teilchen, bevorzugt Fasern mit größeren Durchmessern zugemischt werden. Die größeren Teilchen verändern die Packung der Nanofasern und führen zu Strukturen mit reduziertem Widerstand gegenüber dem Flüssigkeitsdurchlauf. Die vorliegende Erfindung liefert den unerwarteten Vorteil, dass sie in der Lage ist, eine Füllbettstruktur aus Nanofasern mit verbesserten Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften als Resultat des Gerüsteffekts, welcher durch die Gerüstteilchen bewirkt wird, zu bilden.Accordingly, it is a concern of the invention to alter the average pore size and packing structure of packed nanofiber layers by admixing larger particles, preferably fibers with larger diameters. The larger particles alter the packing of the nanofibers and result in structures with reduced resistance to fluid permeation. The present invention provides the unexpected advantage of being able to form a packed bed structure of nanofibers with improved fluid permeation properties as a result of the framework effect caused by the framework particles.
Abb. 1 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme (Vergrößerung · 50.000) eines Nanofaserfüllbetts, die einen Bereich einer Nanofasermatte zeigt, der willkürlich orientierte, miteinander verflochtene Kohlenstofffibrillen umfasst.Figure 1 is a light micrograph (magnification x 50,000) of a nanofiber packing bed showing a region of a nanofiber mat comprising randomly oriented, interwoven carbon fibrils.
Abb. 2 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme (Vergrößerung · 2.000), die ein Füllbett zeigt, das Gerüstfaserteilchen und gewebeartige Strukturen von willkürlich orientierten, miteinander verflochtenen Kohlenstofffibrillen umfasst.Figure 2 is a light micrograph (magnification x 2,000) showing a packing bed comprising scaffold fiber particles and web-like structures of randomly oriented, interwoven carbon fibrils.
Abb. 3 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme (Vergrößerung · 200), die Gerüstteilchen in Form von Fasern (4-8 um Durchmesser) und gewebeartige Bereiche von Fibrillenmatten zeigt.Fig. 3 is a light micrograph (magnification x 200) showing scaffold particles in the form of fibers (4-8 µm diameter) and tissue-like regions of fibril mats.
Abb. 4 ist eine lichtmikroskopische Aufnahme (· 100) einer Füllbettstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung.Figure 4 is an optical micrograph (· 100) of a packed bed structure according to the present invention.
Abb. 5 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung Durchlaufgeschwindigkeit / Mattenstruktur für Nanofasermatten (ohne Gerüst) als Vergleich, wobei die vertikale Achse die Durchlaufgeschwindigkeit und die horizontale Achse den Durchlauf des Gesamtvolumens durch die Matte für Matten mit unterschiedlicher Dicke und Dichte darstellt.Figure 5 shows a graphical representation of the flow rate/mat structure relationship for nanofiber mats (without scaffold) as a comparison, where the vertical axis represents the flow rate and the horizontal axis represents the flow of the total volume through the mat for mats with different thickness and density.
Abb. 6 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung Durchlaufgeschwindigkeit / Dichte der Matte für Kohlenstoffnanofasermatten (ohne Gerüst) als Vergleich, wobei die vertikale Achse die bezüglich der Dicke der Matte normierte Durchlaufgeschwindigkeit und die horizontale Achse die Dichte der Matte darstellt.Figure 6 shows a graphical representation of the flow rate/mat density relationship for carbon nanofiber mats (without scaffold) for comparison, where the vertical axis represents the flow rate normalized to the mat thickness and the horizontal axis represents the mat density.
Abb. 7 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung Durchlaufgeschwindigkeit / Nanofaseranteil einer erfindungsgemäßen Ausführungsform, wobei die vertikale Achse die Durchlaufgeschwindigkeit und die horizontale Achse den gewichtsmäßigen Anteil der Nanofasern in einem Füllbett, welches Kohlenstofffibrillen und Kohlenstofffasern enthält, darstellt.Fig. 7 shows a graphical representation of the flow rate / nanofiber fraction relationship of an embodiment of the invention, wherein the vertical axis represents the flow rate and the horizontal axis represents the weight fraction of nanofibers in a packed bed containing carbon fibrils and carbon fibers.
Abb. 8 ist eine grafische Darstellung der Stromspannungsbeziehung für die Elektrode des Beispiels 8, wobei die vertikale Achse den Strom und die horizontale Achse das angelegte Potenzial bei mehreren Potenzialabtastgeschwindigkeiten darstellt.Figure 8 is a graphical representation of the current-voltage relationship for the electrode of Example 8, where the vertical axis represents the current and the horizontal axis represents the applied potential at several potential scanning speeds.
Der Begriff "Eigenschaft der Flüssigkeitsdurchlaufgeschwindigkeit" bezieht sich auf die Fähigkeit einer Flüssigkeit oder eines Gases, durch eine feste Struktur hindurchzuströmen. Beispielsweise die Geschwindigkeit, mit der ein Flüssigkeits- oder Gasvolumen durch eine dreidimensionale Struktur mit einer spezifischen Querschnittsfläche und spezifischer Dicke oder Höhe (das heißt Milliliter pro Minute pro Quadratzentimeter pro Mil Dicke) bei festgelegter Druckdifferenz über die Struktur hinweg hindurchströmt.The term "fluid flow rate property" refers to the ability of a liquid or gas to flow through a solid structure. For example, the rate at which a volume of liquid or gas flows through a three-dimensional structure with a specific cross-sectional area and specific thickness or height (i.e., milliliters per minute per square centimeter per mil of thickness) at a fixed pressure differential across the structure.
Der Begriff "isotrop" bedeutet, dass alle Messungen einer physikalischen Eigenschaft innerhalb einer Ebene oder eines Volumens des Füllbetts, unabhängig von der Richtung der Messung, einen konstanten Wert ergeben. Es versteht sich, dass Messungen solcher nicht festen Zusammensetzungen an einer repräsentativen Füllbettprobe vorgenommen werden müssen, so dass der Durchschnittswert der Leerräume berücksichtigt wird.The term "isotropic" means that all measurements of a physical property within a plane or volume of the packed bed, regardless of the direction of measurement, give a constant value. It is understood that measurements of such non-solid compositions must be made on a representative packed bed sample so that the average value of the voids is taken into account.
Der Begriff "makroskopisch" bezieht sich auf Strukturen, welche mindestens zwei Abmessungen von mehr als 1 mm aufweisen.The term "macroscopic" refers to structures that have at least two dimensions larger than 1 mm.
Der Begriff "Nanofaser" bezieht sich auf längliche Strukturen mit einem Querschnitt (eckige Fasern mit Kanten) oder einem Durchmesser (abgerundet) von weniger als 1 Mikron. Die Struktur kann entweder hohl oder fest sein. Dieser Begriff wird weiter unten definiert.The term "nanofiber" refers to elongated structures with a cross-section (angular fibers with edges) or diameter (rounded) of less than 1 micron. The structure can be either hollow or solid. This term is defined below.
Die Begriffe "Füllbett", "Zusammensetzung" oder "Matte" beziehen sich auf eine Struktur, die eine Anordnung einer Matte von miteinander verflochtenen individuellen Nanofasern, Gerüstfasern und/oder Gerüstteilchen umfasst. Der Begriff "Füllbett" wird nachfolgend so aufgefasst, dass er die Begriffe "Matten", "Zusammensetzungen" und verwandte dreidimensionale Strukturen beinhaltet und mit diesen austauschbar ist. Der Begriff "Füllbett" beinhaltet nicht lose Teilchenmassen.The terms "packed bed", "composition" or "mat" refer to a structure comprising an arrangement of a mat of interwoven individual nanofibers, scaffold fibers and/or scaffold particles. The term "packed bed" is hereinafter understood to include and be interchangeable with the terms "mats", "composites" and related three-dimensional structures. The term "packed bed" does not include loose masses of particles.
Der Begriff "Packungsstruktur" bezieht sich auf die interne Struktur eines Füllbetts einschließlich der relativen Orientierung der Fasern, der Vielseitigkeit und dem Gesamtdurchschnitt der Faser Orientierung, der Nähe der Fasern zueinander, dem Leerraum oder den Poren, welche durch die Lücke und die Räume zwischen den Fasern erzeugt werden, und der Größe, Form, Anzahl und Orientierung der Durchlaufkanäle oder -wege, welche durch die Verbindung der Leerräume oder Poren gebildeten werden. Der Begriff "relative Orientierung" bezieht sich auf die Orientierung einer individuellen Faser in Bezug auf die anderen Fasern (das heißt ausgerichtet gegenüber nicht ausgerichtet). Die "Vielseitigkeit" und der "Gesamtdurchschnitt" der Faserorientierungen beziehen sich auf den Bereich der Faserorientierungen in dem Füllbett (Ausrichtung und Orientierung in Bezug auf die externe Oberfläche des Betts).The term "packing structure" refers to the internal structure of a packed bed, including the relative orientation of the fibers, the versatility and overall average of the fiber orientation, the proximity of the fibers to each other, the voids or pores created by the gaps and spaces between the fibers, and the size, shape, number and orientation of the flow channels or paths formed by the interconnection of the voids or pores. The term "relative orientation" refers to the orientation of an individual fiber with respect to the other fibers (i.e., aligned versus non-aligned). The "versatility" and "overall average" of the fiber orientations refer to the range of fiber orientations in the packed bed (alignment and orientation with respect to the external surface of the bed).
Der Begriff "physikalische Eigenschaft" meint eine inhärente, messbare Eigenschaft des porösen Füllbetts, z. B. Widerstand, Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften, Dichte, Porosität etc.The term "physical property" means an inherent, measurable property of the porous packing bed, e.g. resistance, fluid flow properties, density, porosity, etc.
Der Begriff "relativ" bedeutet, dass 95% der Werte der physikalischen Eigenschaft innerhalb von plus oder minus 50% eines Mittelwertes liegen, wenn entlang einer Achse oder innerhalb einer Ebene oder eines Volumens der Struktur gemessen wird.The term "relative" means that 95% of the values of the physical property lie within plus or minus 50% of a mean value when measured along an axis or within a plane or volume of the structure.
Der Begriff "Gerüstteilchen" bezieht sich auf Feststoffteilchen, die geeignet sind, einen Gerüsteffekt zu verursachen, wenn sie mit Nanofasern gemischt werden. Zumindest eine Abmessung des "Gerüstteilchens" ist wesentlich größer als zumindest eine Abmessung der Nanofasern. Die "Gerüstteilchen" können verschiedene dreidimensionale Formen einschließlich Fasern, Würfeln, Plättchen, Scheiben etc. aufweisen. "Gerüstteilchen" werden weiter unten diskutiert.The term "scaffold particles" refers to solid particles that are capable of causing a scaffold effect when mixed with nanofibers. At least one dimension of the "scaffold particle" is substantially larger than at least one dimension of the nanofibers. The "scaffold particles" can have various three-dimensional shapes including fibers, cubes, platelets, disks, etc. "Scaffold particles" are discussed further below.
Der Begriff "im Wesentlichen" bedeutet, dass 95% der Werte der physikalischen Eigenschaft innerhalb von plus oder minus 10% eines Mittelwertes liegen, wenn entlang einer Achse oder innerhalb einer Ebene oder eines Volumens der Struktur gemessen wird.The term "substantially" means that 95% of the values of the physical property are within plus or minus 10% of a mean value when measured along an axis or within a plane or volume of the structure.
Die Begriffe "im Wesentlichen isotrop" oder "relativ isotrop" entsprechen den Variationsbereichen der Werte einer physikalischen Eigenschaft wie oben angegeben.The terms "substantially isotropic" or "relatively isotropic" correspond to the ranges of variation of the values of a physical property as specified above.
Der Begriff Nanofasern bezieht sich auf verschiedene Fasern mit sehr kleinen Durchmessern einschließlich Fibrillen, Whisker, Nanoröhren bzw. Nanotubes, Buckytubes etc. Auf Grund ihrer Größe liefern solche Strukturen eine signifikante Oberfläche, wenn sie in eine Füllbettstruktur eingefügt werden. Außerdem kann solch eine Struktur mit hoher Reinheit und Einheitlichkeit hergestellt werden. Bevorzugt hat die in der vorliegenden Erfindung verwendete Nanofaser einen Durchmesser von weniger als etwa 1 um, bevorzugt weniger als etwa 0,5 um, und noch bevorzugter weniger als 0,1 um und am meisten bevorzugt weniger als 0,05 um.The term nanofibers refers to various fibers with very small diameters including fibrils, whiskers, nanotubes, buckytubes, etc. Due to their size, such structures provide significant surface area when inserted into a packed bed structure. In addition, such a structure can be manufactured with high purity and uniformity. Preferably, the nanofiber used in the present invention has a diameter of less than about 1 µm, preferably less than about 0.5 µm, and more preferably less than 0.1 µm, and most preferably less than 0.05 µm.
Die Fibrillen, Buckytubes, Nanotubes und Whisker, auf die in dieser Anmeldung Bezug genommen wird, sind von kontinuierlichen Kohlenstofffasern, welche kommerziell als Verstärkungsmaterialien erhältlich sind, unterscheidbar. Im Gegensatz zu Nanofasern, die wünschenswerterweise große, aber unvermeidlicherweise endliche Längen- Breite-Verhältnisse aufweisen, haben kontinuierliche Kohlenstofffasern Längen-Breite- Verhältnisse (L/D) von mindestens 104 und oftmals 106 oder mehr. Der Durchmesser von kontinuierlichen Fasern ist auch weitaus größer als derjenige von Fibrillen und beträgt immer mehr als 1,0 um und beträgt typischerweise 5 bis 7 um.The fibrils, buckytubes, nanotubes and whiskers referred to in this application are distinguishable from continuous carbon fibers which are commercially available as reinforcement materials. Unlike nanofibers, which have desirably large but inevitably finite length-to-width ratios, continuous carbon fibers have length-to-width ratios (L/D) of at least 104 and often 106 or more. The diameter of continuous fibers is also far larger than that of fibrils and is always greater than 1.0 µm and is typically 5 to 7 µm.
Kontinuierliche Kohlenstofffasern werden durch die Pyrolyse von organischen Vorstufefasern, üblicherweise Kunstseide, Polyacrylnitril (PAN) und Pech, hergestellt. Folglich können sie Heteroatome in ihrer Struktur beinhalten. Die graphitartige Natur von "unbehandelten" kontinuierlichen Kohlenstofffasern variiert, aber sie können einem nachfolgenden Graphitisierungsschritt unterzogen werden. Unterschiede im Ausmaß der Graphitisierung, Orientierung und Kristallinität der Graphitebenen, falls diese vorliegen, die potenzielle Anwesenheit von Heteroatomen und selbst der absolute Unterschied im Substratdurchmesser führen dazu, dass Erfahrungen mit kontinuierlichen Fasern kaum Vorhersagen bezüglich der Nanofaserchemie erlauben. Die verschiedenen Arten von Nanofasern, die für die Verwendung in porösen Füllbettstrukturen geeignet sind, werden unten diskutiert.Continuous carbon fibers are produced by the pyrolysis of organic precursor fibers, usually rayon, polyacrylonitrile (PAN), and pitch. Consequently, they can contain heteroatoms in their structure. The graphitic nature of "virgin" continuous carbon fibers varies, but they can be subjected to a subsequent graphitization step. Differences in the extent of graphitization, orientation and crystallinity of the graphite planes, if present, the potential presence of heteroatoms, and even the absolute difference in substrate diameter mean that experience with continuous fibers is poorly predictive of nanofiber chemistry. The various types of nanofibers suitable for use in porous packed bed structures are discussed below.
Kohlenstofffibrillen sind wurmartige Kohlenstoffabscheidungen mit Durchmessern von weniger als 1,0 um, bevorzugt weniger als 0,5 um, noch bevorzugter weniger als 0,2 um und am meisten bevorzugt weniger als 0,05 um. Sie existieren in einer Vielzahl von Formen und werden durch katalytische Zersetzung verschiedener kohlenstoffhaltiger Gase auf Metalloberflächen hergestellt. Solche wurmartigen Kohlenstoffabscheidungen wurden seit Beginn der Elektronenmikroskopie beobachtet. Eine gute frühe Übersicht und Referenz findet sich in Baker und Harris, Chemistry and Physics of Carbon, Herausgeber Walker und Thrower, Band 14, 1978, S. 83, und N. Rodriguez, J. Mater. Research, Band 8, S. 3233 (1993), welche hiermit durch Bezugnahme eingeführt werden (vgl. auch A. Obelin und M. Endo, J. of Crystal Growth, Band 32 (1976), S. 335-349, hiermit durch Bezugnahme eingeführt).Carbon fibrils are worm-like carbon deposits with diameters of less than 1.0 µm, preferably less than 0.5 µm, more preferably less than 0.2 µm, and most preferably less than 0.05 µm. They exist in a variety of forms and are produced by catalytic decomposition of various carbon-containing gases on metal surfaces. Such worm-like carbon deposits have been observed since the beginning of electron microscopy. A good early review and reference can be found in Baker and Harris, Chemistry and Physics of Carbon, eds. Walker and Thrower, vol. 14, 1978, p. 83, and N. Rodriguez, J. Mater. Research, Vol. 8, p. 3233 (1993), which are hereby incorporated by reference (see also A. Obelin and M. Endo, J. of Crystal Growth, Vol. 32 (1976), pp. 335-349, hereby incorporated by reference).
US-Patent Nr. 4,663,230 von Tennent, hiermit durch Bezugnahme eingeführt, beschreibt Kohlenstofffibrillen, die frei sind von einem kontinuierlichen thermischen Kohlenstoffüberzug und die mehrere geordnete graphitartige äußere Schichten aufweisen, die im Wesentlichen parallel zur Fibrillenachse sind. So können sie derart charakterisiert werden, dass ihre c-Achsen, die Achsen, welche senkrecht zu den Tangenten der gekrümmten Graphitschichten verlaufen, im Wesentlichen senkrecht zu inren Zylinderachsen verlaufen. Im Allgemeinen haben sie Durchmesser von nicht mehr als 0,1 um und Länge-Durchmesser-Verhältnisse von mindestens 5. Wünschenswerterweise sind sie im Wesentlichen frei von einem kontinuierlichen thermischen Kohlenstoffüberzug, das heißt pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff, welcher aus dem thermischen Cracken des zur ihrer Herstellung verwendeten Gasstroms resultiert. Die Tennent-Erfindung ermöglicht den Zugang zu Fibrillen mit kleinerem Durchmesser, typischerweise 35 bis 700 A (0,0035 bis 0,070 um) und zu einer geordneten, "wie gewachsenen" ("as grown") graphitartigen Oberfläche. Fibrilläre Kohlenstoffe von weniger perfekter Struktur, aber ebenso ohne eine pyrolytische äußere Kohlenstoffschicht ließ man ebenfalls wachsen.U.S. Patent No. 4,663,230 to Tennent, hereby incorporated by reference, describes carbon fibrils that are free of a continuous thermal carbon coating and that have multiple ordered graphitic outer layers that are substantially parallel to the fibril axis. Thus, they can be characterized such that their c-axes, the axes that are perpendicular to the tangents of the curved graphite layers, are substantially perpendicular to their inner They generally have diameters of no more than 0.1 µm and length-to-diameter ratios of at least 5. Desirably, they are substantially free of a continuous thermal carbon coating, i.e., pyrolytically deposited carbon resulting from thermal cracking of the gas stream used to make them. The Tennent invention provides access to fibrils of smaller diameter, typically 35 to 700 Å (0.0035 to 0.070 µm), and to an ordered, "as grown" graphitic surface. Fibrillar carbons of less perfect structure, but also without a pyrolytic outer carbon layer, have also been grown.
US-Patent Nr. 5,171,560 von Tennent et al., hiermit durch Bezugnahme eingeführt, beschreibt Kohlenstofffibrillen ohne thermischen Überzug und mit graphitartigen Schichten, die im Wesentlichen parallel zur Fibrillenachse verlaufen, so dass sich die Projektion dieser Schichten auf die Fibrillenachsen über eine Entfernung von mindestens zwei Fibrillendurchmessern erstreckt. Üblicherweise sind solche Fibrillen im Wesentlichen zylindrische, graphitartige Nanotubes mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser und umfassen zylindrische, graphitartige Schichten, deren c-Achsen im Wesentlichen senkrecht zu ihren Zylinderachsen verlaufen. Sie sind im Wesentlichen frei von pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff, haben einen Durchmesser von weniger als 0,1 um und ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 5. Diese Fibrillen sind in der Erfindung von vorrangigem Interesse.U.S. Patent No. 5,171,560 to Tennent et al., hereby incorporated by reference, describes carbon fibrils without thermal coating and having graphitic layers that are substantially parallel to the fibril axis such that the projection of these layers onto the fibril axes extends over a distance of at least two fibril diameters. Typically, such fibrils are substantially cylindrical graphitic nanotubes with a substantially constant diameter and comprise cylindrical graphitic layers whose c-axes are substantially perpendicular to their cylindrical axes. They are substantially free of pyrolytically deposited carbon, have a diameter of less than 0.1 µm and a length-to-diameter ratio of greater than 5. These fibrils are of primary interest in the invention.
Weitere Einzelheiten bezüglich der Bildung von Aggregaten von Kohlenstofffibrillen können in der Offenbarung von US-Patent 5,165,909 von Tennent; Snyder et al., US- Patentanmeldung Nr. 149,573, eingereicht am 28. Januar 1988; und PCT-Anmeldung Nr. US89/00322, eingereicht am 28. Januar 1989 ("Carbon Fibrils") WO 89/07163; und Moy et al., US-Patentanmeldung Nr. 413,837, eingereicht am 28. September 1989; und PCT-Anmeldung Nr. US90/05498, eingereicht am 27. September 1990 ("Fibril Aggregates and Method of Making Same"), WO 91/05089; und US- Anmeldung Nr. 08/479,864 von Mandeville et al., eingereicht am 7. Juni 1995; und US-Anmeldung Nr. 08/329,774 von Bening et al., eingereicht am 27. Oktober 1984; und US-Anmeldung Nr. 08/284,917, eingereicht am 2. August 1994; und US- Anmeldung Nr. 07/320,564, eingereicht am 11. Oktober 1994 von Moy et al. gefunden werden, die, wie die vorliegende Erfindung, alle auf den gleichen Rechtsnachfolger übertragen wurden und hiermit durch Bezugnahme eingeführt werden.Further details regarding the formation of carbon fibril aggregates can be found in the disclosure of U.S. Patent 5,165,909 to Tennent; Snyder et al., U.S. Patent Application No. 149,573, filed January 28, 1988; and PCT Application No. US89/00322, filed January 28, 1989 ("Carbon Fibrils") WO 89/07163; and Moy et al., U.S. Patent Application No. 413,837, filed September 28, 1989; and PCT Application No. US90/05498, filed September 27, 1990 ("Fibril Aggregates and Method of Making Same") WO 91/05089; and U.S. No. 08/479,864 by Mandeville et al., filed June 7, 1995; and No. 08/329,774 by Bening et al., filed October 27, 1984; and No. 08/284,917, filed August 2, 1994; and No. 07/320,564, filed October 11, 1994 by Moy et al., all of which, as with the present invention, are assigned to the same assignee and are hereby incorporated by reference.
Moy et al., US-Anmeldung Nr. 07/887,307, eingereicht am 22. Mai 1992, hiermit eingeführt durch Bezugnahme, beschreibt Fibrillen, welche als Aggregate mit verschiedenen Morphologien hergestellt wurden (bestimmt durch Rasterelektronenmikroskopie), wobei sie unter Bildung von verflochtenen Fibrillenbällen, welche Vogelnestern (Birds Nests = "BN") ähneln, willkürlich miteinander verflochten sind; oder als Aggregate hergestellt wurden, die aus Bündeln von geraden oder leicht gebogenen oder geknickten Kohlenstofffibrillen mit im Wesentlichen gleicher relativer Orientierung bestehen und die das Aussehen von gekämmtem Garn (combed yarn = "cy") aufweisen, z. B. erstreckt sich die longitudinale Achse jeder Fibrille (trotz individueller Biegungen oder Abknickungen) in die gleiche Richtung wie die umgebenden Fibrillen in den Bündeln; oder als Aggregate hergestellt werden, die aus geraden bis leicht gebogenen oder geknickten Fibrillen bestehen, die unter Bildung einer offenen Netzstruktur (open net = "ON") lose miteinander verflochten sind. In offenen Netzstrukturen wird ein größeres Maß der Fibrillenverflechtung beobachtet als in gekämmten Garnaggregaten (in denen die individuellen Fibrillen im Wesentlichen die gleiche relative Orientierung aufweisen), aber eine geringere als im Fall der Vogelnester. Gekämmte Garnaggregate und offene Netzaggregate werden leichter dispergiert als Vogelnesteraggregate, was sie in der Herstellung von Compositen nützlich macht, wo einheitliche Eigenschaften über die ganze Struktur hinweg gewünscht sind.Moy et al., U.S. Application No. 07/887,307, filed May 22, 1992, hereby incorporated by reference, describes fibrils prepared as aggregates with various morphologies (as determined by scanning electron microscopy) where they are randomly intertwined to form intertwined fibril balls resembling bird's nests (BN); or prepared as aggregates consisting of bundles of straight or slightly bent or kinked carbon fibrils with substantially the same relative orientation and having the appearance of combed yarn (cy), e.g., the longitudinal axis of each fibril (despite individual bends or kinks) extends in the same direction as the surrounding fibrils in the bundles; or be prepared as aggregates consisting of straight to slightly curved or kinked fibrils loosely interwoven to form an open net (ON) structure. In open net structures, a greater degree of fibril intertwining is observed than in combed yarn aggregates (in which the individual fibrils have essentially the same relative orientation), but less than in the case of bird's nests. Combed yarn aggregates and open net aggregates are more easily dispersed than bird's nest aggregates, making them useful in the preparation of composites where uniform properties throughout the structure are desired.
Wenn die Projektion der graphitartigen Schichten auf die Fibrillenachse sich über eine Distanz von weniger als zwei Fibrillendurchmesser erstreckt, nehmen die Kohlenstoffschichten der graphitartigen Nanofaser in ihrem Querschnitt eine Erscheinung in Form von Fischgräten an. Diese werden als Grätenfibrillen bezeichnet. Geus, US-Patent Nr. 4,855,091, hiermit durch Bezugnahme eingeführt, liefert ein Verfahren für die Herstellung von Grätenfibrillen, die im Wesentlichen frei sind von einem pyrolytischen Überzug. Diese Fibrillen sind zur Anwendung in der Erfindung ebenfalls geeignet.If the projection of the graphite-like layers onto the fibril axis extends over a distance of less than two fibril diameters, the carbon layers of the graphite-like nanofiber take on an appearance in the form of of fish bones. These are referred to as fish bone fibrils. Geus, U.S. Patent No. 4,855,091, hereby incorporated by reference, provides a process for the preparation of fish bone fibrils that are substantially free of a pyrolytic coating. These fibrils are also suitable for use in the invention.
McCarthy et al., US-Patentanmeldung Nr. 351,967, eingereicht am 15. Mai 1989, hiermit durch Bezugnahme eingeführt, beschreibt Verfahren zur Oxidation der Oberfläche von Kohlenstofffibrillen, welche das Inkontaktbringen der Fibrillen mit einem Oxidationsmittel, umfassend Schwefelsäure (H&sub2;SO&sub4;) und Kaliumchlorat (KClO&sub3;), unter Reaktionsbedingungen (z. B. Zeit, Temperatur und Druck), die für eine Oxidation der Fibrillenoberfläche ausreichend sind, beinhalten. Die gemäß der Verfahren von Mc- Carthy et al. oxidierten Fibrillen sind uneinheitlich oxidiert, das heißt die Kohlenstoffatome sind mit einem Gemisch von Carboxyl-, Aldehyd-, Keton-, Phenol- und anderen Carbonylgruppen substituiert.McCarthy et al., U.S. Patent Application No. 351,967, filed May 15, 1989, hereby incorporated by reference, describes methods for oxidizing the surface of carbon fibrils which involve contacting the fibrils with an oxidizing agent comprising sulfuric acid (H2SO4) and potassium chlorate (KClO3) under reaction conditions (e.g., time, temperature, and pressure) sufficient to oxidize the fibril surface. The fibrils oxidized according to the methods of McCarthy et al. are non-uniformly oxidized, that is, the carbon atoms are substituted with a mixture of carboxyl, aldehyde, ketone, phenol, and other carbonyl groups.
Fibrillen wurden durch Behandlung mit Salpetersäure auch uneinheitlich oxidiert. Die internationale Anmeldung PCT/US94/10168 offenbart die Bildung von oxidierten Fibrillen, welche ein Gemisch von funktionellen Gruppen enthalten.Fibrils were also non-uniformly oxidized by treatment with nitric acid. The international application PCT/US94/10168 discloses the formation of oxidized fibrils containing a mixture of functional groups.
In einer veröffentlichten Arbeit stellten McCarthy und Bening (Polymer Preprints ACS Div. of Polymer Chem. 30 (1) 420 (1990)) Derivate von oxidierten Fibrillen her, um zu zeigen, dass die Oberfläche eine Vielzahl von oxidierten Gruppen umfasste. Die von ihnen hergestellten Verbindungen, Phenylhydrazone, halogenaromatische Ester, Thalliumsalze etc., wurden auf Grund ihrer analytischen Nützlichkeit ausgewählt, da sie beispielsweise stark gefärbt waren oder andere starke und leicht zu identifizierende und unterscheidungskräftige Signale aufwiesen. Diese Verbindungen wurden nicht isoliert und sind im Gegensatz zu den hierin beschriebenen Derivaten von keiner praktischen Bedeutung.In a published work, McCarthy and Bening (Polymer Preprints ACS Div. of Polymer Chem. 30 (1) 420 (1990)) prepared derivatives of oxidized fibrils to show that the surface contained a variety of oxidized groups. The compounds they prepared, phenylhydrazones, haloaromatic esters, thallium salts, etc., were chosen for their analytical utility, for example, because they were strongly colored or had other strong and easily identified and distinctive signals. These compounds were not isolated and, unlike the derivatives described here, are of no practical importance.
Kohlenstoffnanotubes mit einer Morphologie, die derjenigen der katalytisch gewachsenen, oben beschriebenen Fibrillen ähnlich ist, ließ man in einem Hochtemperatur- Kohlelichtbogen wachsen (Iijima, Nature, 354, 56, 1991, hiermit durch Bezugnahme eingeführt). Es wird nun allgemein akzeptiert (Weaver, Science, 265, 1994, hiermit durch Bezugnahme eingeführt), dass diese im Lichtbogen gewachsenen Nanofasern die gleiche Morphologie aufweisen wie die früheren, katalytisch gewachsenen Fibrillen von Tennent. Im Lichtbogen gewachsene Kohlenstoffnanofasern sind in der Erfindung ebenso nützlich.Carbon nanotubes with a morphology similar to that of the catalytically grown fibrils described above were grown in a high temperature carbon arc (Iijima, Nature, 354, 56, 1991, hereby incorporated by reference). It is now generally accepted (Weaver, Science, 265, 1994, hereby incorporated by reference) that these arc-grown nanofibers have the same morphology as the earlier catalytically grown fibrils of Tennent. Arc-grown carbon nanofibers are also useful in the invention.
Gerüstteilchen sind teilchenförmige Feststoffe mit einer Form und einer Größe, die geeignet ist, einen Gerüsteffekt zu liefern, wenn sie mit Nanofasern gemischt werden. Die Gerüstteilchen weisen eine solche Form und eine Größe auf, dass sie die Packungsstruktur der Nanofasern unterbrechen. Daraus resultiert ein Füllbett mit einer erhöhten durchschnittlichen Porengröße. Die Gerüstwirkung erhöht die Anzahl von großen Poren und die durchschnittliche Porengröße, was wiederum die Durchlaufgeschwindigkeit des Bettes erhöht. Die Gerüstteilchen werden als ein Verdünnungsmittel und/oder als ein mechanisch stärkeres Gerüst verwendet, was dazu beiträgt, die Kräfte der Oberflächenspannung während des Trocknungsprozesses zu überwinden, was die Dichte der Nanofaserfraktion der resultierenden Matte als Composit reduziert.Scaffold particles are particulate solids with a shape and size suitable to provide a scaffold effect when mixed with nanofibers. The scaffold particles are of a shape and size such that they disrupt the packing structure of the nanofibers. This results in a packed bed with an increased average pore size. The scaffold effect increases the number of large pores and the average pore size, which in turn increases the bed throughput. The scaffold particles are used as a diluent and/or as a mechanically stronger scaffold, helping to overcome the forces of surface tension during the drying process, reducing the density of the nanofiber fraction of the resulting mat as a composite.
Bevorzugt haben die Gerüstteilchen zumindest eine Abmessung, die größer ist als die größte Abmessung der Nanofasern und/oder zumindest eine zweitgrößte Abmessung, die größer ist als die zweitgrößte Abmessung der Nanofaser. Die größte Abmessung des Gerüstteilchens kann mit der größten Abmessung der Nanofaser vergleichbar sein. Beispielsweise können Nanofasern und Fettfasern gleicher Länge verwendet werden, solange die Durchmesser der Fettfasern wesentlich größer sind als die Durchmesser der Nanofasern.Preferably, the scaffold particles have at least one dimension that is larger than the largest dimension of the nanofibers and/or at least one second largest dimension that is larger than the second largest dimension of the nanofiber. The largest dimension of the scaffold particle may be comparable to the largest dimension of the nanofiber. For example, nanofibers and fatty fibers of the same length may be used, as long as the diameters of the fatty fibers are substantially larger than the diameters of the nanofibers.
Bevorzugt ist die größte Abmessung des Gerüstteilchens mindestens 10-mal größer als die größte Abmessung der Nanofasern, bevorzugter 50-mal größer, stärker bevorzugt 100-mal größer und am meisten bevorzugt 200-mal größer.Preferably, the largest dimension of the scaffold particle is at least 10 times larger than the largest dimension of the nanofibers, more preferably 50 times larger, more preferably 100 times larger, and most preferably 200 times larger.
Bevorzugt ist die zweitgrößte Abmessung des Gerüstteilchens mindestens 10-mal größer als die zweitgrößte Abmessung der Nanofasern, bevorzugter 50-mal größer, stärker bevorzugt 100-mal größer und am meisten bevorzugt 200-mal größer.Preferably, the second largest dimension of the scaffold particle is at least 10 times larger than the second largest dimension of the nanofibers, more preferably 50 times larger, more preferably 100 times larger, and most preferably 200 times larger.
Die Gerüstteilchen haben bevorzugt auch eine größte Abmessung (z. B. Länge einer Faser) von mehr als 1 um, bevorzugter mehr als 5 um, noch bevorzugter mehr als 10 um und am meisten bevorzugt mehr als 50 um. Die Gerüstteilchen haben bevorzugt eine zweitgrößte Abmessung (z. B. Durchmesser einer Faser oder Dicke einer Scheibe) von mehr als 0,1 um, bevorzugter mehr als 1 um, noch bevorzugter mehr als 3 um und am meisten bevorzugt mehr als 5 um.The scaffold particles also preferably have a largest dimension (e.g., length of a fiber) of greater than 1 µm, more preferably greater than 5 µm, even more preferably greater than 10 µm, and most preferably greater than 50 µm. The scaffold particles preferably have a second largest dimension (e.g., diameter of a fiber or thickness of a disk) of greater than 0.1 µm, more preferably greater than 1 µm, even more preferably greater than 3 µm, and most preferably greater than 5 µm.
Die Form der Gerüstteilchen kann viele Formen annehmen, solange das Teilchen einen ausreichenden Gerüsteffekt liefert, um die Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften um den gewünschten Betrag zu verbessern. Geeignete Formen umfassen Fasern, Plättchen, Scheiben, Kegel, Pyramiden, Würfel, unregelmäßig geformte feste Teilchen etc.The shape of the scaffold particles can take many forms as long as the particle provides a sufficient scaffold effect to improve the fluid flow properties by the desired amount. Suitable shapes include fibers, platelets, disks, cones, pyramids, cubes, irregularly shaped solid particles, etc.
Bevorzugt haben die Gerüstteilchen die Form einer Faser. Der Durchmesser der Gerüstteilchenfaser ist bevorzugt mindestens 10-mal größer als der Nanofaser- Durchmesser, bevorzugter 50-mal größer, noch bevorzugter 100-mal größer und am meisten bevorzugt 200-mal größer.Preferably, the scaffold particles are in the form of a fiber. The diameter of the scaffold particle fiber is preferably at least 10 times larger than the nanofiber diameter, more preferably 50 times larger, even more preferably 100 times larger, and most preferably 200 times larger.
Die Oberflächenchemie, Struktur oder Zusammensetzung des Gerüstteilchens kann auch modifiziert werden, um den Gerüsteffekt zu verbessern oder anzupassen. Beispielsweise können Teilchen mit rauer Oberfläche einen zunehmenden Gerüsteffekt bewirken, da solche Teilchen besser in der Lage wären, die Nanofasern voneinander fernzuhalten. Gemäß einer Ausführungs form der Erfindung wird mehr als eine Art von Gerüstteilchen in das Füllbett eingefügt.The surface chemistry, structure or composition of the scaffold particle can also be modified to improve or adjust the scaffold effect. For example, particles with a rough surface can cause an increasing scaffold effect, since such particles would be better able to keep the nanofibers away from each other. According to one embodiment of the invention, more than one type of scaffold particle is introduced into the packed bed.
Die Gerüstteilchen können beispielsweise polymerartig, anorganisch, glasartig oder metallisch sein. Das Teilchen kann die gleiche oder eine unterschiedliche Zusammensetzung in Bezug auf die Nanofaser aufweisen. Bevorzugt sind die Gerüstteilchen entweder Glasfaserteilchen oder Kohlenstofffasern.The framework particles can be, for example, polymeric, inorganic, glassy or metallic. The particle can have the same or a different composition with respect to the nanofiber. Preferably, the framework particles are either glass fiber particles or carbon fibers.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden Kohlenstofffasern als Gerüstteilchen verwendet. Die Kohlenstofffasern haben für diesen Zweck den Vorteil, dass sie leitfähig sind. Metallfasern mit noch größerer Leitfähigkeit können aus dem gleichen Grund ebenso zugemischt werden. Folglich können Kohlenstofffasern, die leitfähig sind, aber auch aus Kohlenstoff bestehen, als Gerüstteilchen verwendet werden und mit Kohlenstoffnanofasern gemischt werden, um ein Füllbett auf Kohlenstoffbasis zu erzeugen, das verbesserte Leitfähigkeit, verbesserten Flüssigkeitsdurchlauf und hohe Kohlenstoffreinheit aufweist.According to a preferred embodiment, carbon fibers are used as scaffold particles. The carbon fibers have the advantage for this purpose of being conductive. Metal fibers with even greater conductivity can also be mixed in for the same reason. Consequently, carbon fibers, which are conductive but also consist of carbon, can be used as scaffold particles and mixed with carbon nanofibers to create a carbon-based packed bed that has improved conductivity, improved fluid permeability and high carbon purity.
Der allgemeine Bereich dieser Erfindung betrifft poröse Füllbettmaterialien, welche aus gepackten Nanofasern hergestellt werden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Veränderung der Porosität einer Füllbettstruktur durch Mischen von Nanofasern mit anderen Fasern von größerem Durchmesser oder teilchenförmigen Materialien, die als ein Gerüst dienen, das die kleineren Nanofasern voneinander fernhält und deren Zusammenbruch verhindert. Die Erzeugung von größeren Kanälen innerhalb dieser Compositmaterialien verbessert den Durchlauf von Flüssigkeiten oder Gasen durch diese Materialien.The general scope of this invention relates to porous packed bed materials made from packed nanofibers. The invention relates to a method for altering the porosity of a packed bed structure by mixing nanofibers with other larger diameter fibers or particulate materials that serve as a scaffold that holds the smaller nanofibers apart and prevents them from collapsing. The creation of larger channels within these composite materials improves the flow of liquids or gases through these materials.
Der Fluss eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit durch eine Kapillare wird durch die Poiseuille-Gleichung beschrieben, die die Durchlaufgeschwindigkeit zu dem Druckunterschied, der Fluid- bzw. Flüssigkeitsviskosität, der Weglänge und der Größe der Kapillaren in Beziehung setzt. Die Durchlaufgeschwindigkeit pro Einheitsfläche variiert mit dem Quadrat der Porengröße. Dementsprechend führt eine Verdopplung der Porengröße zu einer Vervierfachung der Durchlaufgeschwindigkeiten. Die Erzeugung von wesentlich größeren Poren in der Nanofaserfullbettstruktur führt zu einem erhöhten Flüssigkeitsdurchlauf, da der Durchlauf durch die größeren Poren wesentlich größer ist.The flow of a fluid through a capillary is described by the Poiseuille equation, which relates the flow rate to the pressure difference, the fluid viscosity, the path length and the size of the capillaries. The flow rate per unit area varies with the square of the pore size. Accordingly, doubling the pore size leads to a quadrupling of the flow rates. The creation of much larger pores in the nanofiber packed bed structure leads to increased liquid flow, since the flow through the larger pores is much greater.
Wie oben angegeben, führen Nanofaserfüllbetten, die nicht mit einem Gerüstmechanismus versehen sind, zu schlechten Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften. Dies ist insbesondere richtig, wenn flüssige Nanofasersuspensionen von dem Suspensionsfluid getrocknet werden und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit dazu neigt, die Nanofasern zu einer dicht gepackten "Matte" zusammenzuschieben, wobei die Porengröße, die durch den Raum zwischen den Fasern bestimmt wird, dazu neigt, recht klein zu sein. Dies führt zu einem Füllbett mit schlechten Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften.As stated above, nanofiber packed beds that are not provided with a scaffolding mechanism result in poor fluid flow properties. This is especially true when liquid nanofiber suspensions are dried from the suspending fluid and the surface tension of the liquid tends to push the nanofibers together into a tightly packed "mat" where the pore size, determined by the space between the fibers, tends to be quite small. This results in a packed bed with poor fluid flow properties.
Wenn die Nanofaserfüllbetten ohne die Gerüstteilchen gebildet werden, brechen diese zusammen und bilden dichte Matten. Die Gerüstteilchen halten die Matten aufrecht und brechen oder reißen diese Matten auseinander unter Bildung von diskontinuierlichen Nanofaserbereichen und Hohlraumkanälen zwischen diesen Bereichen. Bezugnehmend auf Abb. 1 zeigt die mikroskopische Aufnahme die dichte Packung von Nanofasern im Nanofaserbereich oder in der Nanofaserdomäne der Matte. Abb. 2 ist eine mikroskopische Aufnahme geringerer Vergrößerung, die die Nanofaserdomänen zeigt, die an den Gerüstteilchen anhaften und "gewebeartige" Strukturen zwischen und über diesen bilden. Die miteinander verflochtenen faserartigen Strukturen der Nanofasern verursachen, dass diese eher unter Bildung der gewebeartigen oder filzartigen Struktur aneinander haften als vollständig in einzelne Teilchen auseinander zu brechen. Bei der Verwendung von nicht-faserartigen Nanoteilchen (z. B. Kugeln) würden diese Teilchen einfach durch die Struktur fallen und sich am Boden abscheiden. Abb. 3 und 4 sind mikroskopische Aufnahmen geringerer Vergrößerung von Packungen, die Kohlenstofffibrillen und Kohlenstofffasern enthalten.When the nanofiber packing beds are formed without the scaffold particles, they collapse to form dense mats. The scaffold particles hold the mats upright and break or tear these mats apart to form discontinuous nanofiber regions and void channels between these regions. Referring to Fig. 1, the micrograph shows the dense packing of nanofibers in the nanofiber region or nanofiber domain of the mat. Fig. 2 is a lower magnification micrograph showing the nanofiber domains adhering to the scaffold particles and forming "web-like" structures between and over them. The interwoven fibrous structures of the nanofibers cause them to adhere to one another to form the web-like or felt-like structure rather than completely breaking apart into individual particles. If non-fibrous nanoparticles (e.g. spheres) were used, these particles would simply fall through the structure and settle at the bottom. Figures 3 and 4 are low-magnification micrographs of packings containing carbon fibrils and carbon fibers.
Überraschenderweise zeigen Füllbetten, die größere Gerüstteilchen im Gemisch mit Nanofasern umfassen, verbesserte Durchlaufeigenschaften. Dies ermöglicht, dass die hohe Oberfläche der Nanofasern ohne weiteres in Situationen genutzt werden kann, in denen der Volumentransport eines Fluids oder Gases durch das Material benötigt wird.Surprisingly, packing beds comprising larger scaffold particles mixed with nanofibers show improved flow properties. This allows the high surface area of the nanofibers to be readily exploited in situations where volume transport of a fluid or gas through the material is required.
Die verbesserte Packungsstruktur des Füllbetts liefert große Durchlaufkanäle, was ermöglicht, dass eine große Oberfläche der Nanofasern zugänglich ist. Das bedeutet, dass die Nanofasern, die die äußeren Wände der in der Compositstruktur gebildeten großen Durchlaufkanäle bilden oder mit diesen in Kontakt sind, eine Erhöhung der zugänglichen Nanofaseroberfläche ermöglichen.The improved packing structure of the packed bed provides large flow channels, which allows a large surface area of the nanofibers to be accessible. This means that the nanofibers forming the outer walls of or in contact with the large flow channels formed in the composite structure allow an increase in the accessible nanofiber surface area.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Materialzusammensetzung, die ein poröses Füllbett mit einer Vielzahl an Nanofasern und einer Anzahl an Gerüstteilchen umfasst, die unter Bildung einer porösen Struktur gemischt werden. Bevorzugt hat das Füllbett eine verbesserte Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaft. Bevorzugt ist die Flüssigkeitsdurchlaufgeschwindigkeit von Wasser größer als 0,5 ml/Minute/cm² bei einer Druckdifferenz über das Füllbett hinweg von etwa 1 atm für ein Bett mit einer Dicke von 1 Mil, noch bevorzugter von mehr als 1,0 ml/Minute/cm².One aspect of the invention relates to a material composition comprising a porous packed bed with a plurality of nanofibers and a number of scaffold particles mixed to form a porous structure. Preferably, the packed bed has an improved liquid flow characteristic. Preferably, the liquid flow rate of water is greater than 0.5 ml/minute/cm2 at a pressure differential across the packed bed of about 1 atm for a bed having a thickness of 1 mil, more preferably greater than 1.0 ml/minute/cm2.
Allgemein ist die Erfindung eine Materialzusammensetzung, die im Wesentlichen aus einem dreidimensionalen makroskopischen System einer Vielzahl von willkürlich orientierten Nanofasern, gemischt mit Gerüstteilchen, besteht. Bevorzugt haben die Betten mindestens zwei Abmessungen von mehr als 1 mm, bevorzugter von mehr als 5 mm. Bevorzugt haben die resultierenden Füllbetten eine Schüttdichte von 0,1 bis 0,5 gm/cc.Generally, the invention is a composition of matter consisting essentially of a three-dimensional macroscopic system of a plurality of randomly oriented nanofibers mixed with scaffold particles. Preferably, the beds have at least two dimensions greater than 1 mm, more preferably greater than 5 mm. Preferably, the resulting packed beds have a bulk density of 0.1 to 0.5 gm/cc.
Das gemäß der Erfindung hergestellte Füllbett weist strukturelle und mechanische Integrität auf. Das bedeutet, dass die Betten angewendet werden können, ohne zu brechen oder auseinander zu fallen, obwohl die Betten eine gewisse Flexibilität aufweisen können. Auf Grund der Tatsache, dass die Nanofasern unter Bildung einer willkürlichen, gewebeartigen Struktur miteinander verflochten sind, haben die Füllbetten einen filzartigen Charakter. Im Vergleich zu einfach losen Teilchenmassen haben die Füllbetten eine deutlich höhere Festigkeit und Widerstandsfähigkeit.The packing bed made according to the invention has structural and mechanical integrity. This means that the beds can be applied without breaking or falling apart, although the beds may have some flexibility. Due to the fact that the nanofibers can be packed to form a random, Because the particles are interwoven into a fabric-like structure, the filling beds have a felt-like character. Compared to simply loose particle masses, the filling beds have significantly higher strength and resistance.
Bevorzugt hat das erfindungsgemäße Füllbett zumindest eine Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaft, die größer ist als diejenige eines Nanofaserfüllbetts ohne Gerüstteilchen. Das bedeutet, dass die Zugabe der Gerüstteilchen die Flüssigkeitsdurchlaufgeschwindigkeit z. B. im Vergleich zu einem Nanofaserfüllbett ohne Gerüstteilchen verbessert. Bevorzugt erhöht der Gerüstzusatz die Durchlaufgeschwindigkeit um einen Faktor von mindestens 2, bevorzugter um einen Faktor von mindestens 5, noch bevorzugter um einen Faktor von mindestens 10 und am meisten bevorzugt um einen Faktor von mindestens 50.Preferably, the packed bed according to the invention has at least one fluid flow property that is greater than that of a nanofiber packed bed without scaffold particles. This means that the addition of the scaffold particles improves the fluid flow rate, for example, compared to a nanofiber packed bed without scaffold particles. Preferably, the scaffold addition increases the flow rate by a factor of at least 2, more preferably by a factor of at least 5, even more preferably by a factor of at least 10, and most preferably by a factor of at least 50.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungs form hat das Füllbett eine Oberfläche von mehr als etwa 25 m²/g.According to a preferred embodiment, the packing bed has a surface area of more than about 25 m²/g.
Bevorzugt hat das Füllbett relativ oder im Wesentlichen einheitliche physikalische Eigenschaften entlang zumindest einer Dimensionsachse bzw. Raumachse und hat wünschenswerterweise relativ oder im Wesentlichen einheitliche physikalische Eigenschaften in einer oder mehreren Ebenen innerhalb des Füllbetts, das heißt diese haben isotrope physikalische Eigenschaften in dieser Ebene. In anderen Ausführungsformen ist das gesamte Füllbett relativ oder im Wesentlichen isotrop bezüglich einer oder mehrerer seiner physikalischen Eigenschaften.Preferably, the packed bed has relatively or substantially uniform physical properties along at least one dimensional or spatial axis and desirably has relatively or substantially uniform physical properties in one or more planes within the packed bed, i.e., has isotropic physical properties in that plane. In other embodiments, the entire packed bed is relatively or substantially isotropic with respect to one or more of its physical properties.
Bevorzugt hat das Füllbett im Wesentlichen isotrope physikalische Eigenschaften in zumindest zwei Dimensionen. Wenn Fasern oder Plättchen als Gerüstteilchen verwendet werden, neigen diese dazu, sich in einer einzelnen Ebene auszurichten. Allerdings ist die resultierende Struktur in der Ausrichtungsebene isotrop. Das Füllbett kann eine einheitliche oder uneinheitliche Verteilung der Gerüstteilchen und Nanofasern aufweisen.Preferably, the packed bed has substantially isotropic physical properties in at least two dimensions. When fibers or platelets are used as scaffold particles, they tend to align in a single plane. However, the resulting structure is isotropic in the plane of alignment. The packed bed can have a uniform or non-uniform distribution of the scaffold particles and nanofibers.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verteilung der Gerüstteilchen in dem Nanofaserfüllbett uneinheitlich. Wie aus dem Vergleich der Abb. 1, 2, 3 und 4 ersichtlich ist, zeigen starke Vergrößerungen, dass sich die Nanofasern anhäufen und gewebeartige Bereiche bilden können, obwohl die Verteilung bei geringerer Vergrößerung einheitlich erscheinen kann. Obwohl dies geschehen kann, können die makroskopischen Eigenschaften des Materials relativ einheitlich sein, wie in Abb. 4 gezeigt wird. Alternativ kann die Packungsstruktur uneinheitlich sein. Beispielsweise kann ein dünner Schichtbereich mit einer höheren Konzentration an Nanotubes auf dem oberen Bereich des Füllbetts gebildet werden. Alternativ kann die dünne Schicht an Nanofasern im unteren Bereich oder innerhalb der Füllbettstruktur gebildet werden. Die Verteilung der Gerüstteilchen kann variiert werden, um die Eigenschaften des Füllbetts zu ändern.According to one embodiment of the invention, the distribution of the scaffold particles in the nanofiber packed bed is non-uniform. As can be seen from comparing Figures 1, 2, 3 and 4, high magnifications show that the nanofibers can cluster and form web-like regions, although the distribution may appear uniform at lower magnification. Although this can occur, the macroscopic properties of the material may be relatively uniform, as shown in Figure 4. Alternatively, the packing structure may be non-uniform. For example, a thin layer region with a higher concentration of nanotubes may be formed on the upper region of the packed bed. Alternatively, the thin layer of nanofibers may be formed in the lower region or within the packed bed structure. The distribution of the scaffold particles may be varied to change the properties of the packed bed.
Die durchschnittliche Porengröße und die Gesamtpackungsstruktur des Füllbetts können durch Variation mehrerer Parameter eingestellt werden. Diese Parameter umfassen: (a) Gewichtsprozent an Nanofaser und/oder Stützteilchen, (b) Größe, Form und Oberflächeneigenschaften der Nanofaser und/oder des Gerüstteilchens, (c) die Zusammensetzung der Nanofaser und/oder des Gerüstteilchens (z. B. Kohlenstoff gegenüber Metall) und (d) das Herstellungsverfahren des Füllbetts.The average pore size and overall packing structure of the packed bed can be tuned by varying several parameters. These parameters include: (a) weight percent of nanofiber and/or support particles, (b) size, shape and surface properties of the nanofiber and/or scaffold particle, (c) the composition of the nanofiber and/or scaffold particle (e.g., carbon versus metal), and (d) the method of preparing the packed bed.
Obwohl die Räume zwischen den Nanofasern bezüglich ihrer Größe und Form unregelmäßig sind, können sie als Poren angesehen werden und durch Verfahren charakterisiert werden, die für die Charakterisierung poröser Medien verwendet werden. Die Größenverteilung der Zwischenräume und Leerräume in solchen Netzwerken kann durch die Konzentration und das Ausmaß der Dispersion an Nanofasern, die mit dem Gerüst gemischt werden, kontrolliert werden. Die Gerüstzugabe zu den Nanofaserpackungen verursacht eine Veränderung der Porengrößenverteilung. Obwohl die Porengröße in den Domänen der Nanofasermatte nicht wesentlich verändert wird, führt das Wegbrechen dieser Bereiche zu größeren Hohlraumkanälen zwischen den Nanofaserbereichen. Das Resultat ist eine bimodale Porengrößenverteilung. Kleine reine Räume mit den Nanofaserbereichen und großer Hohlraum zwischen diesen Bereichen.Although the spaces between the nanofibers are irregular in size and shape, they can be considered as pores and characterized by methods used for characterizing porous media. The size distribution of the interstices and voids in such networks can be controlled by the concentration and extent of dispersion of nanofibers mixed with the scaffold. Scaffold addition to the nanofiber packings causes a change in the pore size distribution. Although the pore size in the nanofiber mat domains is not significantly changed, breaking away these regions results in larger void channels between the nanofiber regions. The result is a bimodal pore size distribution: small clean spaces with the nanofiber areas and a large void between these areas.
Gemäß einer Ausführungsform können die porösen Füllbetten eine Menge an Nanofasern im Bereich von 1 Gew.-% bis 99 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-% bis 95 Gew.-%, bevorzugter 1 Gew.-% bis 50 Gew.-% und am meisten bevorzugt 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% enthalten. Die entsprechende Menge an Gerüstteilchen liegt im Bereich von 99 bis 1 Gew.-%, bevorzugter 99 bis 5 Gew.-%, noch bevorzugter 99 bis 50 Gew.-% und am meisten bevorzugt 95 bis 50 Gew.-%.According to one embodiment, the porous packing beds may contain an amount of nanofibers in the range of 1 wt% to 99 wt%, preferably 1 wt% to 95 wt%, more preferably 1 wt% to 50 wt%, and most preferably 5 wt% to 50 wt%. The corresponding amount of scaffold particles is in the range of 99 to 1 wt%, more preferably 99 to 5 wt%, even more preferably 99 to 50 wt%, and most preferably 95 to 50 wt%.
Gemäß einer anderen Ausführungsform können die porösen Füllbetten ein festes Nicht- Hohlraumvolumen mit einer Menge an Nanofasern im Bereich von 1 Vol.-% bis 99 Vol.-%, bevorzugt 1 Vol.-% bis 95 Vol.-%, noch bevorzugter 1 Vol.-% bis 50 Vol.- % und am meisten bevorzugt 5 Vol.-% bis 50 Vol.-% umfassen. Die entsprechende Menge an Gerüstteilchen liegt im Bereich von 99 bis 1 Vol.-% (an festem Nicht- Hohlraumvolumen), bevorzugter 99 bis 5 Vol.-%, noch bevorzugter 99 bis 50 Vol.-% und am meisten bevorzugt 95 bis 50 Vol.-%.According to another embodiment, the porous packing beds may comprise a solid non-void volume with an amount of nanofibers in the range of 1 vol.% to 99 vol.%, preferably 1 vol.% to 95 vol.%, more preferably 1 vol.% to 50 vol.%, and most preferably 5 vol.% to 50 vol.%. The corresponding amount of scaffold particles is in the range of 99 to 1 vol.% (of solid non-void volume), more preferably 99 to 5 vol.%, more preferably 99 to 50 vol.%, and most preferably 95 to 50 vol.%.
Wie oben diskutiert, verändert eine Variation der Menge an Nano fasern und Gerüstteilchen die Packungsstruktur und verändert folglich die Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften. Abb. 5 ist eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen Wasserflüssigkeitsdurchlauf und Mattendicke bei einer Matte aus Kohlenstofffibrillen (2 cm²) ohne Gerüstteilchen. Abb. 6 zeigt eine grafische Darstellung der Durchlaufgeschwindigkeit gegenüber der Mattendichte. Wie dem Graf entnommen werden kann, sind die Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften für diese Matten schlecht. Die Durchlaufgeschwindigkeit nimmt mit zunehmender Mattendichte exponentiell ab, entsprechend einer Abnahme des Porenvolumens. Abb. 7 ist eine grafische Darstellung der Beziehung von Flüssigkeitsdurchlaufgeschwindigkeit / Nanofaseranteil für ein Füllbett (2 cm²), welches gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Wie dem Graf entnommen werden kann, werden erhöhte Durchlaufgeschwindigkeiten durch Zugabe von Gerüstfasern zu einer Nanofasermatte erreicht.As discussed above, varying the amount of nanofibers and scaffold particles changes the packing structure and consequently changes the fluid flow properties. Figure 5 is a graphical representation of the relationship between water fluid flow and mat thickness for a carbon fibril mat (2 cm2) without scaffold particles. Figure 6 is a graphical representation of flow rate versus mat density. As can be seen from the graph, the fluid flow properties for these mats are poor. Flow rate decreases exponentially with increasing mat density, corresponding to a decrease in pore volume. Figure 7 is a graphical representation of the relationship of fluid flow rate/nanofiber fraction for a packed bed (2 cm2) made according to the present invention. As can be seen from the graph can be removed, increased throughput speeds are achieved by adding scaffold fibers to a nanofiber mat.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Nanofasern einen mittleren Durchmesser von weniger als 0,1 Mikron und die Gerüstteilchen haben eine erste Abmessung von mehr als etwa 1 um und eine zweite Abmessung von mehr als etwa 0,5 um.According to a preferred embodiment of the invention, the nanofibers have an average diameter of less than 0.1 micron and the scaffold particles have a first dimension of greater than about 1 µm and a second dimension of greater than about 0.5 µm.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Füllbett weiterhin ein Additiv (z. B. ein teilchenförmiges Additiv) als dritte Komponente, die in das Bett in einer Menge im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bevorzugter 0,01 bis 20 Gew.- %, noch bevorzugter 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% und am meisten bevorzugt von 0,01 bis 5 Gew.-% eingefügt wird.According to one embodiment of the invention, the packed bed further comprises an additive (e.g. a particulate additive) as a third component which is incorporated into the bed in an amount ranging from 0.01 wt% to 50 wt%, more preferably from 0.01 to 20 wt%, even more preferably from 0.01 to 10 wt%, and most preferably from 0.01 to 5 wt%.
Allgemein beinhaltet das Verfahren das Mischen der Nanofasern mit den Gerüstteilchen unter Bildung einer Füllbettstruktur. Geeignete vergleichbare Verfahren werden in der US-Patentanmeldung Nr. 08/428,496, eingereicht am 27. April 1995, hiermit durch Bezugnahme eingeführt, angegeben.Generally, the process involves mixing the nanofibers with the scaffold particles to form a packed bed structure. Suitable comparable processes are set forth in U.S. Patent Application Serial No. 08/428,496, filed April 27, 1995, hereby incorporated by reference.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein poröses Compositfüllbett mit einer Vielzahl an Nanofasern und einer Anzahl an Gerüstteilchen durch ein Verfahren hergestellt, das folgende Schritte umfasst:According to one embodiment of the invention, a porous composite filling bed with a plurality of nanofibers and a number of scaffold particles is produced by a method which comprises the following steps:
(a) Dispergieren der Nanofasern und der Gerüstteilchen in einem Medium unter Bildung einer Suspension; und(a) dispersing the nanofibers and the scaffold particles in a medium to form a suspension; and
(b) Abtrennen des Mediums von der Suspension unter Bildung des Füllberts.(b) Separating the medium from the suspension to form the filler layer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurden Füllbetten entweder unter Verwendung von Glasfasern aus kommerziellen Glasfasern (z. B. Whatman® GF/B Glasfaserfilterpapier) oder von geschnittenen Kohlenstofffasern als Gerüstteilchen gebildet. In beiden Fällen wurden die Nanofasern (Graphitfibrillen) und die größeren Fasern unter Bildung von Suspensionen der beiden zusammengemischt und über einen Vakuumfilteranschluss filtriert, um das Fluid zu entfernen und eine trockene, gepackte "Matte" oder ein Bett zu bilden.According to a preferred embodiment of the invention, packing beds were prepared using either glass fibers made from commercial glass fibers (e.g. Whatman® GF/B glass fiber filter paper) or chopped carbon fibers as scaffold particles. In both cases, the nanofibers (graphite fibrils) and the larger fibers were mixed together to form suspensions of the two and filtered through a vacuum filter port to remove the fluid and form a dry, packed "mat" or bed.
Das Medium wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser und organischen Lösungsmitteln.The medium is preferably selected from the group consisting of water and organic solvents.
Der Trennschritt kann das Filtern der Suspension oder das Verdampfen des Mediums aus der Suspension umfassen.The separation step may comprise filtering the suspension or evaporating the medium from the suspension.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Suspension ein Gel oder eine Paste, umfassend die Nanofasern und Gerüstteilchen in einem Fluid. Der Trennschritt kann folgende Schritte umfassen:According to one embodiment, the suspension is a gel or a paste comprising the nanofibers and scaffold particles in a fluid. The separation step may comprise the following steps:
(a) Erwärmen des Gels oder der Paste in einem Druckgefäß auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur des Fluids;(a) heating the gel or paste in a pressure vessel to a temperature above the critical temperature of the fluid;
(b) Entfernen des überkritischen Fluids aus dem Druckgefäß; und(b) removing the supercritical fluid from the pressure vessel; and
(c) Entfernen des porösen Füllbettcomposits aus dem Druckgefäß.(c) Removing the porous packed bed composite from the pressure vessel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Aufschlämmung von Kohlenstoffnanotubes hergestellt und geschnittene oder gemahlene Segmente von Gerüstteilchen werden zu einer Suspension, welche die Nanofasern enthält, zugegeben, und es wird gerührt, um die Materialien in Dispersion zu halten. Das Medium wird anschließend von der Suspension abgetrennt, wobei ein Füllbett mit guten Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften gebildet wird. Faserstützteilchen mit einer Länge von 0,318 cm (1/8 Inch) und sogar noch kleiner funktionieren gut.In another embodiment, a slurry of carbon nanotubes is prepared and chopped or ground segments of scaffold particles are added to a suspension containing the nanofibers and agitated to keep the materials in dispersion. The medium is then separated from the suspension, forming a packed bed with good fluid flow properties. Fiber support particles 0.318 cm (1/8 inch) long and even smaller work well.
Die Fibrillenfullbetten können für Zwecke verwendet werden, in denen poröse Medien bekannterweise nützlich sind. Diese schließen Filtration, Elektroden, Adsorptionsmittel, Chromatografiemedien etc. ein. Zusätzlich sind Füllbetten eine geeignete Volumenform bzw. Bulkform von Nanofasern und können daher für jede bekannte Anwendung einschließlich insbesondere EMI-Abschirmung, Polymercomposite, aktive Elektroden etc. verwendet werden.The fibril packed beds can be used for purposes where porous media are known to be useful. These include filtration, electrodes, adsorbents, chromatography media, etc. In addition, packed beds are a suitable bulk form of nanofibers and can therefore be used for any known application including in particular EMI shielding, polymer composites, active electrodes, etc.
Für einige Anwendungen wie EMI-Abschirmung, Filtration und Stromsammlung können unmodifizierte Nanofaserfüllbetten verwendet werden. Für andere Anwendungen sind die Nanofaserfüllbetten eine Komponente eines komplexeren Materials, das heißt sie sind Teil eines Composits. Beispiele solcher Composite sind Polymerabgussmatten, Chromatografiemedien, Elektroden für Brennstoffzellen und Batterien und Keramikcomposite, einschließlich biokeramische Materialien wie künstlichen Knochen. In einigen dieser Composite wie Abgussmatten und künstliche Knochen ist es wünschenswert, dass die Nicht-Nanofaser-Bestandteile die Porosität des Füllbetts ausfüllen oder im Wesentlichen ausfüllen. Für andere wie Elektroden und chromatografische Mittel hängt deren Nützlichkeit davon ab, dass das Composit zumindest eine gewisse Porosität des Füllbetts bewahrt.For some applications, such as EMI shielding, filtration, and current collection, unmodified nanofiber packing beds can be used. For other applications, the nanofiber packing beds are a component of a more complex material, that is, they are part of a composite. Examples of such composites are polymer casting mats, chromatography media, electrodes for fuel cells and batteries, and ceramic composites, including bioceramic materials such as artificial bone. In some of these composites, such as casting mats and artificial bone, it is desirable that the non-nanofiber components fill or substantially fill the porosity of the packing bed. For others, such as electrodes and chromatographic agents, their usefulness depends on the composite preserving at least some porosity of the packing bed.
Die starren Netzwerke können auch als Rückgrat in biomimetischen Systemen für die molekulare Erkennung dienen. Solche Systeme wurden im US-Patent Nr. 5,110,833 und in der internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO93/19844 beschrieben.The rigid networks can also serve as the backbone in biomimetic systems for molecular recognition. Such systems have been described in US Patent No. 5,110,833 and International Patent Publication No. WO93/19844.
Die oben beschriebenen Füllbettprodukte können in eine Matrix eingefügt werden. Dementsprechend wird eine Nicht-Nanofaser-Komponente durch das Bett filtriert und unter Bildung eines Composits verfestigt. Bevorzugt ist die Matrix ein organisches Polymer (z. B. ein duroplastisches Harz wie ein Epoxy-, Bismaleimid-, Polyamid- oder Polyesterharz; ein thermoplastisches Harz; ein Reaktionsgussharz; oder ein Elastomer wie natürlicher Kautschuk; Styrol-Butadien-Kautschuk oder cis-1,4-Polybutadien); ein anorganisches Polymer (z. B. ein polymeres anorganisches Oxid wie Glas), ein Metall (z. B. Blei oder Kupfer) oder ein keramisches Material (z. B. Portlandzement).The packed bed products described above can be incorporated into a matrix. Accordingly, a non-nanofiber component is filtered through the bed and solidified to form a composite. Preferably, the matrix is an organic polymer (e.g., a thermosetting resin such as an epoxy, bismaleimide, polyamide, or polyester resin; a thermoplastic resin; a reaction molding resin; or an elastomer such as natural rubber; styrene-butadiene rubber or cis-1,4-polybutadiene); an inorganic polymer (e.g. a polymeric inorganic oxide such as glass), a metal (e.g. lead or copper) or a ceramic material (e.g. Portland cement).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die oben beschriebenen Füllbetten als poröse Elektrodenmaterialien verwendet und es wurde gezeigt, dass sie gute poröse Elektrodenmaterialien darstellen. Folglich betrifft ein weiterer erfindungsgemäß er Aspekt Materialien für Durchflusselektroden, die die Nanofaserfüllbetten mit verbesserten Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften umfassen. Das poröse Elektrodenmaterial wird aus den Füllbettgemischen der Nanofasern und Gerüstteilchen hergestellt. Die Elektrodenmaterialien können in vorteilhafter Weise die Compositeigenschaften von unterschiedlichen Materialien in dem Compositgemisch nutzen. Außerdem kann die Leitfähigkeit des Systems erhöht werden, wenn verschiedene leitfähige Gerüstteilchen mit den Nanofasern gemischt werden.According to a preferred embodiment, the packed beds described above are used as porous electrode materials and have been shown to be good porous electrode materials. Accordingly, another aspect of the invention relates to materials for flow electrodes comprising the nanofiber packed beds with improved fluid flow properties. The porous electrode material is made from the packed bed mixtures of the nanofibers and scaffold particles. The electrode materials can advantageously utilize the composite properties of different materials in the composite mixture. In addition, the conductivity of the system can be increased when different conductive scaffold particles are mixed with the nanofibers.
Gemäß einer Ausführungs form können Elektroden hergestellt werden durch Anbringen eines leitenden Drahts an Bereiche der Füllbetten mit leitfähigem Epoxy. Solche Elektroden können durch cyclische Voltametrie untersucht werden. Es wurde beobachtet, dass das Material besser filtrierte als es die Fibrillen allein getan hätten.According to one embodiment, electrodes can be made by attaching a conductive wire to areas of the packing beds with conductive epoxy. Such electrodes can be examined by cyclic voltammetry. It was observed that the material filtered better than the fibrils alone would have done.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine elektrische Verbindung gebildet, indem das Füllbett auf einer leitfähigen Oberfläche gebildet wird. Beispielsweise kann das Füllbett durch Filtern des Füllbetts auf ein leitfähiges Sieb gebildet werden. Bevorzugt wird ein Gold-, Platin-, Nickel- oder Edelstahlsieb oder -filtersieb verwendet.According to a further embodiment, an electrical connection is formed by forming the packed bed on a conductive surface. For example, the packed bed can be formed by filtering the packed bed onto a conductive screen. Preferably, a gold, platinum, nickel or stainless steel screen or filter screen is used.
Außerdem kann die Leitfähigkeit durch die innere Verbindung der Nanofasern begrenzt werden. Composite mit größeren Fasern, die den Nanofasern beigemischt werden, ermöglichen eine verbesserte Porosität und/oder Durchlaufeigenschaft sowie eine verbesserte Leitfähigkeit. Dies ermöglicht, dass die Oberfläche der Nanofasern bei Elektrodenanwendungen in Situationen, wo sowohl Leitfähigkeit als auch Flüssigkeitsdurchlauf durch das Material benötigt werden, leichter genutzt wird.In addition, the conductivity can be limited by the internal connection of the nanofibers. Composites with larger fibers mixed into the nanofibers allow for improved porosity and/or flow properties as well as improved conductivity. This allows the surface of the nanofibers to be more easily utilized in electrode applications in situations where both conductivity and fluid flow through the material are required.
Die Zugabe unterschiedlicher Mengen an größeren Gerüstteilchen mit einer festgelegten Menge an Nanofasern ermöglicht, dass das innere Volumen genau eingestellt werden kann. Die kleinen Porengrößen in der Struktur führen zu einem elektrochemischen Dünnschichtverhalten, wobei die effektive "Dicke" des Filmschichteffekts variiert werden kann. Folglich können poröse, sehr leitfähige Elektroden mit unterschiedlichen effektiven Hohlraumvolumina hergestellt werden.The addition of varying amounts of larger framework particles with a fixed amount of nanofibers allows the internal volume to be precisely tuned. The small pore sizes in the structure lead to an electrochemical thin film behavior, whereby the effective "thickness" of the film layer effect can be varied. Consequently, porous, highly conductive electrodes with different effective void volumes can be made.
Die folgenden Beispiele zeigen einige der Produkte und Verfahren zur Herstellung derselben, welche in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen. Bezüglich der Erfindung sind sie natürlich in keiner Weise als beschränkend anzusehen. Bezüglich der Erfindung können zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden.The following examples illustrate some of the products and processes for making them which fall within the scope of the present invention. Of course, they are not to be considered as limiting the invention in any way. Numerous changes and modifications can be made to the invention.
Eine verdünnte Fibrillendispersion wird für die Herstellung der Matten oder Schichten verwendet. Unter Verwendung eines Waring-Mischers wird eine Fibrillensuspension mit 0,5% Fibrillen in Wasser hergestellt. Nach erfolgter Verdünnung auf 0,1% werden die Fibrillen mit einer Beschallungssonde weiter dispergiert. Die Dispersion wird dann unter Bildung einer Matte vakuumfiltriert, die anschließend im Ofen getrocknet wird.A diluted fibril dispersion is used to make the mats or layers. A fibril suspension containing 0.5% fibrils in water is prepared using a Waring blender. Once diluted to 0.1%, the fibrils are further dispersed using a sonication probe. The dispersion is then vacuum filtered to form a mat, which is then oven dried.
Die Matte hat eine Dicke von etwa 0,20 mm und eine Dichte von etwa 0,20 gm/cc, entsprechend einem Porenvolumen von 0,90. Der elektrische Widerstand in der Ebene der Matte beträgt ungefähr 0,02 Ohm/cm. Der Widerstand senkrecht zur Matte beträgt ungefähr 1,0 Ohm/cm. Die Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften der Matte sind schlecht.The mat has a thickness of about 0.20 mm and a density of about 0.20 gm/cc, corresponding to a pore volume of 0.90. The electrical resistance in the plane of the mat is about 0.02 ohm/cm. The resistance perpendicular to the mat is about 1.0 ohm/cm. The fluid flow properties of the mat are poor.
Unter Verwendung eines Waring-Mischers wird eine Fibrillensuspension mit 0,5% Fibrillen in Ethanol hergestellt. Nach erfolgter Verdünnung auf 0,1% werden die Fibrillen mit einer Beschallungssonde weiter dispergiert. Dann lässt man den Ethanol verdampfen und eine Matte wird gebildet. Die Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften der Matte sind schlecht.A fibril suspension containing 0.5% fibrils in ethanol is prepared using a Waring blender. After dilution to 0.1%, the fibrils are further dispersed using a sonication probe. The ethanol is then allowed to evaporate and a mat is formed. The fluid flow properties of the mat are poor.
Die Entfernung eines überkritischen Fluids aus einer gut dispergierten Fibrillenpaste wird verwendet, um Formen niedriger Dichte herzustellen. 50 cc einer 0,5%- Dispersion in n-Pentan werden einem Druckgefäß mit geringfügig größerer Kapazität, welches mit einem Nadelventil ausgerüstet ist, um einen langsamen Druckablass zu ermöglichen, zugeführt. Nachdem das Gefäß auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur von Pentan (Tc = 196,6ºC) erwärmt wird, wird das Nadelventil leicht geöffnet, um das überkritische Pentan über eine Zeitdauer von etwa einer Stunde abzulassen.The removal of a supercritical fluid from a well-dispersed fibril paste is used to produce low density molds. 50 cc of a 0.5% dispersion in n-pentane is added to a slightly larger capacity pressure vessel equipped with a needle valve to allow slow pressure release. After the vessel is heated to a temperature above the critical temperature of pentane (Tc = 196.6ºC), the needle valve is opened slightly to release the supercritical pentane over a period of about one hour.
Der resultierende feste Fibrillenpfropfen, der die Form des Gefäßinnenraums aufweist, hat eine Dichte von 0,005 g/cc, entsprechend einem Porenvolumenanteil von 0,997%.The resulting solid fibril plug, which has the shape of the vessel interior, has a density of 0.005 g/cc, corresponding to a pore volume fraction of 0.997%.
Der Widerstand ist isotrop und beträgt ungefähr 20 Ohm/cm. Die Matte hat schlechte Flüssigkeitsdurchlaufeigenschaften.The resistance is isotropic and is approximately 20 ohms/cm. The mat has poor fluid flow properties.
Eine Fibrillensuspension wurde durch Zumischen von 2 g Fibrillen in 400 ml entionisiertem Wasser (0,5% w/w) und Mischen in einem Waring®-Mischer für 5 Minuten auf hoher Stufe hergestellt. 60 ml der Suspension wurden mit entionisiertem Wasser auf 200 ml verdünnt und mit einer 450-Watt-Branson®-Beschallungssonde 13 Minuten lang bei hoher Leistung mit einem 100%-Betrieb beschallt, um eine Fibrillenstammdispersion herzustellen. Scheiben (Durchmesser 0,25 Inch, 6,6 mg/Scheibe) wurden aus einem Whatman®-GF/B-Glasfaserfilter ausgestanzt. Aliquote der Fibrillenstammdispersion und der Glasfaserscheiben wurden in den Anteilen, wie sie in Tabelle 1 angegeben sind, gemischt: TABELLE 1: Suspension, enthaltend Kohlenstoffnanotubes und Glasfaserteilchen A fibril suspension was prepared by mixing 2 g of fibrils in 400 mL of deionized water (0.5% w/w) and mixing in a Waring® blender for 5 minutes on high power. 60 mL of the suspension was diluted to 200 mL with deionized water and sonicated with a 450 watt Branson® sonicator probe for 13 minutes on high power with 100% operation to prepare a fibril stock dispersion. Disks (0.25 inch diameter, 6.6 mg/disk) were punched out of a Whatman® GF/B glass fiber filter. Aliquots of the fibril stock dispersion and the glass fiber disks were mixed in the proportions indicated in Table 1: TABLE 1: Suspension containing carbon nanotubes and glass fiber particles
Jedes 100-ml-Gemisch wurde weitere 4 Minuten bei hoher Intensität beschallt und über einem 0,45-um-MSI-Nylonfüter in einer 47-mm-Millipore-Membranfilterverteilervorrichtung filtriert. Die Fibrillen-/Glasfasercomposite bildeten filzartige Matten, welche von den Nylonmembranen abgeschält und mehrere Stunden bei 80ºC zwischen zwei Filterpapierstücken unter Gewichtseinfluss zur Aufrechterhaltung der Flachheit getrocknet wurden. Die Fläche jeder Mattenscheibe, definiert durch die Abmessungen der Filtrationsverteilervorrichtung, betrug 10 cm². Jede Matte wurde gewogen und die Dicke wurde mit Mikrometerschrauben gemessen. Die Daten werden in Tabelle 2 aufgelistet: TABELLE 2: Daten bezüglich einer gemischten Glasfaser-/CC-Fibrillenmatte Each 100 ml mixture was sonicated for an additional 4 minutes at high intensity and passed through a 0.45 μm MSI nylon filter in a 47 mm Millipore membrane filter manifold The fibril/glass fiber composites formed felt-like mats which were peeled from the nylon membranes and dried for several hours at 80ºC between two pieces of filter paper under weight to maintain flatness. The area of each mat disk, defined by the dimensions of the filtration manifold, was 10 cm². Each mat was weighed and the thickness was measured with micrometer screws. The data are listed in Table 2: TABLE 2: Data on a mixed glass fiber/CC fibril mat
* 6.6 mg/Scheibe* 6.6 mg/slice
** festgesetzt auf insgesamt 36 mg/cc Glas d" und Fibrille d" beziehen sich auf das Gesamtgewicht der Fibrille oder Glasfaser dividiert durch das Gesamtvolumen der Matte.** set at a total of 36 mg/cc Glass d" and fibril d" refer to the total weight of the fibril or glass fiber divided by the total volume of the mat.
Die Durchlaufeigenschaften jeder Matte wurden gemessen, indem der Wasserdurchlauf durch jede Matte in einer Membranfilterverteilervorrichtung mit einem Durchmesser von 25 mm, welche mit einer Vakuumpumpe verbunden war, beobachtet wurde, wobei die Vakuumpumpe in der Lage war, ein Vakuum von nahezu 0,982 · 10&sup4; Pa (29" Hg) zu ziehen. Die 10 cm²-Matten wurden zentriert und in der Filterverteilervorrichtung mit einem Durchmesser von 25 mm festgeklemmt, um sicherzustellen, dass das Fluid nur durch die Matte und nicht außerhalb des Randbereichs fließen konnte. Das für die Durchlaufuntersuchung verwendete entionisierte Wasser wurde nacheinander durch einen Nylonfilter mit einer Porengröße von 0,45 um, einen Zellulosemembranfilter mit einer Porengröße von 0,2 um und schließlich durch einen Zellulosemembranfilter mit einer Porengröße von 0,1 um filtriert, um Spuren von Materialien zu entfernen, die die Durchlaufuntersuchungen stören könnten. Für jede Matte wurde das Reservoir auf der Verteilervorrichtung bis oberhalb der 15-ml-Linie gefüllt und ein Vakuum angelegt, um einen Durchlauf zu gewährleisten. Wenn der Meniskus des oberen Wasserlevels die 15-ml-Marke passierte, wurde eine Zeitmessvorrichtung gestartet und die Zeit beim Zurückgehen des Fluidlevels wurde registriert, bis der 5-ml-Level erreicht war. Die aktive Filtrationsfläche betrug ungefähr 2 cm². Auf diese Weise wurde der Flüssigkeitsdurchlauf zu mehreren Zeitpunkten während des Hindurchlaufens von 10 ml Wasser gemessen. Dieses Verfahren wurde sowohl für jede Compositmatte als auch für eine Schicht eines Whatman®-GF/B-Glasfaserfilters angewandt. Die Durchlaufdaten sind in Tabelle 3 aufgelistet: TABELLE 3: Gemessene Zeiten* gegenüber durchgelaufenem Volumen für Fibrillen-/Glasfasermatten The flow characteristics of each mat were measured by observing the flow of water through each mat in a 25 mm diameter membrane filter manifold connected to a vacuum pump capable of producing a vacuum of approximately 0.982 x 10⁴ Pa (29"Hg). The 10 cm2 mats were centered and clamped in the 25 mm diameter filter manifold to ensure that fluid could only flow through the mat and not outside the perimeter. The deionized water used for the flow-through study was filtered sequentially through a 0.45 µm pore size nylon filter, a 0.2 µm pore size cellulose membrane filter, and finally a 0.1 µm pore size cellulose membrane filter to remove trace materials that might interfere with the flow-through studies. For each mat, the reservoir on the manifold was filled to above the 15 mL line and a vacuum was applied to ensure flow-through. When the meniscus of the upper water level passed the 15 mL mark, a timing device was started and the time taken for the fluid level to return was recorded until the 5 mL level was reached. The active filtration area was approximately 2 cm2. In this way, the liquid flow through was measured at several times during the passage of 10 ml of water. This procedure was used for each composite mat as well as for a layer of Whatman® GF/B glass fiber filter. The flow through data is listed in Table 3: TABLE 3: Measured times* versus volume passed through for fibril/glass fiber mats
"-" bedeutet nicht gemessen"-" means not measured
* Zeit in Minuten* Time in minutes
Für jede Filtermatte war der Durchlauf gegenüber der Zeit linear, was anzeigt, dass die Matten nicht verstopft waren und dass die Durchlaufgeschwindigkeit zeitlich konstant war. Es wird auch beobachtet, dass die Durchlaufgeschwindigkeit mit zunehmenden Anteilen der Glasfasern in den Compositmatten zunimmt. Wie den Daten in Tabelle 3 entnommen werden kann, ist die Durchlaufgeschwindigkeit, welche für die Compositmatte Nr. 184-20-5 beobachtet wird, nahezu zwei Größenordnungen größer als diejenige der Matte Nr. 184-20-1, einer Matte, die lediglich aus Fibrillen besteht.For each filter mat, the throughput was linear versus time, indicating that the mats were not plugged and that the throughput rate was constant over time. It is also observed that the throughput rate increases with increasing proportions of glass fibers in the composite mats. As can be seen from the data in Table 3, the throughput rate observed for the composite mat No. 184-20-5 is almost two orders of magnitude greater than that of mat No. 184-20-1, a mat consisting only of fibrils.
Compositmatten aus Fibrillen und geschnittenen Kohlenstofffasern wurden hergestellt und bezüglich der Durchlaufeigenschaften untersucht. Eine Fibrillensuspension wurde hergestellt, indem 2 g Fibrillen 400 ml entionisiertem Wasser (0,5% w/w) vermengt und in einem Waring®-Mischer für 5 Minuten auf hoher Stufe gemischt wurden. 70 ml der Suspension wurden zu 280 ml entionisiertem Wasser gegeben, ein magnetischer Rührstab wurde zugegeben und die Suspension wurde mit einer 450-Watt-Bransonic®- Beschallungssonde bei konstantem Rühren einer Beschallung von 20 Minuten unterzogen, um die Fibrillen vollständiger zu dispergieren und 350 ml einer 0,1%-w/w- Stammdispersion herzustellen. Abgewogene Mengen von geschnittenen Kohlenstofffasern mit einer Schnittlänge von 0,3175 cm (1/8 Inch), Renoves, ex-PAN-Fasern, wurden in eine Reihe von Bechergläsern (sieben) in den Anteilen, wie sie in Tabelle 4 gezeigt sind, eingegeben. TABELLE 4 Composite mats of fibrils and chopped carbon fibers were prepared and tested for flow properties. A fibril suspension was prepared by adding 2 g of fibrils to 400 mL of deionized water (0.5% w/w) and mixing in a Waring® blender for 5 minutes on high. 70 mL of the suspension was added to 280 mL of deionized water, a magnetic stir bar was added, and the suspension was sonicated with a 450 watt Bransonic® sonicator probe at constant agitation for 20 minutes to more completely disperse the fibrils and produce 350 mL of a 0.1% w/w stock dispersion. Weighed amounts of chopped carbon fibers with a cut length of 0.3175 cm (1/8 inch), Renoves, ex-PAN fibers, were placed in a series of beakers (seven) in the proportions shown in Table 4. TABLE 4
100 ml entionisiertes Wasser und 50 ml der 0,1%igen Fibrillenstammdispersion wurden jedem Becherglas zugegeben. Jede der sieben Lösungen wurde 5 Minuten lang unter Rühren beschallt und über einem 0,145-um-Nylonfüter in einer 47-mm- Milüpore-Membranfilterverteilervorrichtung filtriert. Die Matten wurden auf den Membranen belassen, zwischen Filterpapierstücken angebracht und über Nacht bei 80 ºC zwischen den zwei Filterpapierstücken unter Gewichtseinfluss zur Bewahrung der Flachheit getrocknet. Das Gewicht und die Dicke jeder 10 cm²-Matte wurde gemessen und die Daten (nach Subtraktion des Nylonmembrangewichts von 93,1 mg und der Dicke von 101,6 um (4,0 Mil)) werden in Tabelle 5 zusammen mit einer Auflistung der anteilsmäßigen Zusammensetzung jeder Matte gezeigt. TABELLE 5 100 mL of deionized water and 50 mL of the 0.1% fibril stock dispersion were added to each beaker. Each of the seven solutions was sonicated for 5 minutes with stirring and filtered through a 0.145 µm nylon filter in a 47 mm Milupore membrane filter manifold. The mats were left on the membranes, placed between pieces of filter paper, and dried overnight at 80 ºC between the two pieces of filter paper under weight to maintain flatness. The weight and thickness of each 10 cm2 mat was measured and the data (after subtracting the nylon membrane weight of 93.1 mg and thickness of 101.6 µm (4.0 mils)) are shown in Table 5 along with a listing of the proportional composition of each mat. TABLE 5
GF = graphitartige FibrillenGF = graphite-like fibrils
d' GF = Gewicht der·-Fibrillen dividiert durch das Gesamtvolumen der Matted' GF = weight of the fibrils divided by the total volume of the mat
d' CF = Gewicht der Kohlenstofffasern dividiert durch das Gesamtvolumen der Matted' CF = weight of carbon fibers divided by the total volume of the mat
Die sich noch immer auf den Nylonmembranen befindenden Fibrillen-/Kohlenstofffasermatten wurden, wie in den vorherigen Beispielen beschrieben, für Durchlaufuntersuchungen verwendet; die Durchlaufdaten sind in Tabelle 6 gezeigt. Der Durchlauf durch den 0,45-um-Nylonfilter selbst ist sehr hoch. Folglich ändert seine Anwesenheit die Durchlaufmessungen der geträgerten Matten nicht wesentlich. TABELLE 6 The fibril/carbon fiber mats still on the nylon membranes were used for permeation studies as described in the previous examples; the permeation data are shown in Table 6. The permeation through the 0.45 µm nylon filter itself is very high. Consequently, its presence does not significantly alter the permeation measurements of the supported mats. TABLE 6
Für jede Filtermatte ist die Durchlaufgeschwindigkeit gegenüber der Zeit linear, was anzeigt, dass die Filter nicht verstopft waren und dass die Durchlaufgeschwindigkeit zeitlich konstant war. Im Vergleich zu ebenen Fibrillenmatten wird beobachtet, dass die Durchlaufgeschwindigkeit eine leichte Abnahme mit den beiden geringeren Kohlenstofffaserkonzentrationen zeigt, aber bei höheren Kohlenstofffaseranteilen dramatisch zunimmt.For each filter mat, the flow rate is linear versus time, indicating that the filters were not clogged and that the flow rate was constant over time. In comparison to flat fibril mats, it is observed that the flow rate shows a slight decrease with the two lower carbon fiber concentrations, but increases dramatically at higher carbon fiber fractions.
Verwendung von Fibrillen-/Glasfasercompositmatten als Elektroden Teile der in Beispiel IV verwendeten Fibrillen-/Glasfasercompositmatten von etwa 5 mm und 8 mm wurden mit einer Rasierklinge aus den Matten ausgeschnitten und zu Elektroden geformt. Die Herstellung umfasste das Verbinden eines Stück Kupferdrahts mit einem Ende von jedem der 5-mm- mal 8-mm-Bereiche mit Graphitlack (Ladd Industries) und das Isolieren des Kontaktpunktes mit Epoxyharz. Der Kupferdraht wurde mit einer Glashülse isoliert und mit Epoxyharz gegenüber dem befestigten Bereich der Matte abgedichtet, so dass nur eine "Platte" von 4 mm mal 4 mm einer Compositmatte offen bzw. freigelegt blieb. Wie in der Tabelle angegeben, wurden aus jeder Matte zwei Elektroden hergestellt.Use of Fibril/Glass Fiber Composite Mats as Electrodes Portions of the fibril/glass fiber composite mats used in Example IV, approximately 5 mm and 8 mm in size, were cut from the mats using a razor blade and formed into electrodes. Fabrication involved connecting a piece of copper wire to one end of each of the 5 mm by 8 mm sections with graphite paint (Ladd Industries) and insulating the contact point with epoxy. The copper wire was insulated with a glass sleeve and sealed with epoxy to the attached area of the mat, leaving only a 4 mm by 4 mm "panel" of composite mat exposed. Two electrodes were made from each mat as indicated in the table.
Composite # Elektrode #Composite # Electrode #
184-20-1 184-21-1,2184-20-1 184-21-1,2
184-20-2 184-21-3,4184-20-2 184-21-3,4
184-20-3 184-21-5,6184-20-3 184-21-5,6
184-20-4 184-21-7,8184-20-4 184-21-7,8
184-20-5 184-21-9,10184-20-5 184-21-9,10
Die Compositelektroden wurden durch cyclische Voltametrie unter Verwendung eines EG&G PAR 273-Potentiostaten, einer Ag/AgCl-Referenzelektrode (Bioanalytical Systems, Inc.) und einer Pt-Netzgegenelektrode in einer Einkammerzelle (Bioanalytical Systems, Inc), die mit einer 3 mM Kaliumfemcyanid, 3 mM Kaliumferrocyanid und 0,5 M K&sub2;SO&sub4; in Wasser enthaltenden Lösung gefüllt war, untersucht. Die cyclischen Voltamogramme bzw. voltametrischen Kurven von Ferri-/Ferrocyanid zeigten Oxidations- und Reduktionswellen mit Eigenschaften, die mit der Zusammensetzung der Elektroden variierten. Charakteristische Merkmale der cyclischen Voltamogramme, aufgenommen bei einer Abtastgeschwindigkeit von 25 mv/Sekunde, sind in Tabelle 8 aufgelistet. TABELLE 8 The composite electrodes were examined by cyclic voltammetry using an EG&G PAR 273 potentiostat, an Ag/AgCl reference electrode (Bioanalytical Systems, Inc.), and a Pt mesh counter electrode in a single-chamber cell (Bioanalytical Systems, Inc.) filled with a solution containing 3 mM potassium ferrocyanide, 3 mM potassium ferrocyanide, and 0.5 M K2SO4 in water. The cyclic voltamograms and ferri-/ferrocyanide voltammetric curves, respectively, showed oxidation and reduction waves with properties that varied with the composition of the electrodes. Characteristic features of the cyclic voltamograms, recorded at a scan rate of 25 mv/second, are listed in Table 8. TABLE 8
* Dicke in Mil* Thickness in mils
** Fläche in cm²** Area in cm²
Elektrode 184-21-1, die nur aus Fibrillen bestand, zeigte sehr scharfe Peaks bzw. Spitzenwerte mit minimaler Peakseparierung, was konsistent ist mit einem Redoxprozess, der in einer porösen Elektrode mit sehr kleinen Poren stattfindet. Die Peakform und -separierung zwischen den anodischen und kathodischen Peaks war ähnlich denjenigen, die man bei einer Dünnschichtzelle beobachten würde. Die Abhängigkeit des anodischen Peakstroms von der Abtastgeschwindigkeit zeigt eine nahezu lineare Abhängigkeit für Elektrode 184-21-1, wird aber zunehmend nichtlinear, wenn der Anteil der Glasfasern im Elektrodenmaterial zunimmt. Die anodischen Peakströme in Milliampere, aufgenommen bei verschiedenen Abtastgeschwindigkeiten, werden in Tabelle 9 gezeigt. TABELLE 9: Peak-Anodenstrom (IPA), mA vs. Abtastgeschwindigkeit, mv/sec Electrode 184-21-1, which consisted only of fibrils, showed very sharp peaks with minimal peak separation, consistent with a redox process occurring in a porous electrode with very small pores. The peak shape and separation between the anodic and cathodic peaks was similar to that observed in a thin film cell. The dependence of the anodic peak current on scan speed shows a nearly linear dependence for electrode 184-21-1, but becomes increasingly nonlinear as the proportion of glass fibers in the electrode material increases. The anodic peak currents in milliamperes recorded at various scan speeds are shown in Table 9. TABLE 9: Peak anode current (IPA), mA vs. scan speed, mv/sec
Compositmatten der Fibrillen und Kohlenstofffasern wurden als Elektroden verwendet. Kohlenstofffasern sind elektrisch leitend. Unter Verwendung des oben in den früheren Beispielen beschriebenen Verfahrens wurden drei Fibrillen/Kohlenstofffasercompositmatten hergestellt. Die Anteile werden in Tabelle 10 gezeigt. TABELLE 10: Zusammensetzung der für die Elektroden verwendeten Fibrillen-/Kohlenstofffasermatten Composite mats of the fibrils and carbon fibers were used as electrodes. Carbon fibers are electrically conductive. Using the procedure described above in the previous examples, three fibril/carbon fiber composite mats were prepared. The proportions are shown in Table 10. TABLE 10: Composition of the fibril/carbon fiber mats used for the electrodes
Unter Verwendung des in Beispiel VI beschriebenen Verfahrens wurden Elektroden aus Fibrillen-/Kohlenstofffasermatten hergestellt. Die Elektrodenabmessungen sind unten in Tabelle 11 aufgelistet. TABELLE 11 Fibril/carbon fiber mat electrodes were prepared using the procedure described in Example VI. Electrode dimensions are listed in Table 11 below. TABLE 11
Die Compositelektroden wurden durch cyclische Voltametrie unter Verwendung eines EG&G PAR 273-Potentiostaten, einer Ag/AgCl-Referenzelektrode (Bioanalytical Systems, Inc.) und einer Pt-Netzgegenelektrode in einer Einkammerzelle (Bioanalytical Systems, Inc), die mit ungefähr 15 ml einer 3 mM Kaliumferricyanid, 3 mM Kaliumferrocyanid und 0,5 M K&sub2;SO&sub4; in Wasser enthaltenden Lösung gefüllt war, untersucht. Die cyclischen Voltamogramme von Ferri-/Ferrocyanid zeigten Oxidations- und Reduktionswellen mit Eigenschaften, die mit der Zusammensetzung der Elektroden variierten. Charakteristische Merkmale der cyclischen Voltamogramme werden in Tabelle 12 aufgelistet. TABELLE 12: Zusammenfassung der Daten der cyclischen Voltametrie von Ferri-/Ferrocyanid bei Elektroden aus einer Fibrillen-/Kohlenstofffasermatte The composite electrodes were examined by cyclic voltammetry using an EG&G PAR 273 potentiostat, an Ag/AgCl reference electrode (Bioanalytical Systems, Inc.), and a Pt mesh counter electrode in a single-chamber cell (Bioanalytical Systems, Inc.) filled with approximately 15 ml of a solution containing 3 mM potassium ferricyanide, 3 mM potassium ferrocyanide, and 0.5 M K2SO4 in water. The cyclic voltamograms of ferri-/ferrocyanide showed oxidation and reduction waves with properties that varied with the composition of the electrodes. Characteristic features of the cyclic voltamograms are listed in Table 12. TABLE 12: Summary of cyclic voltammetry data of ferri-/ferrocyanide for fibril/carbon fiber mat electrodes
EPA = anodisches Peakpotenzial bei 25 mv/Sekunde, V gegen Ag/AgClEPA = anodic peak potential at 25 mv/second, V versus Ag/AgCl
EPC = kathodisches Peakpotenzial bei 25 mv/Sekunde, V gegen Ag/AgClEPC = cathodic peak potential at 25 mV/second, V versus Ag/AgCl
EP-P = Peakseparierung bei 25 mv/Sekunde, mvEP-P = peak separation at 25 mv/second, mv
IPA = anodischer PeakstromIPA = anodic peak current
Alle drei Kohlenstoffnanotube-/Kohlenstofffaser-Compositelektroden zeigten sehr scharfe Oxidations- und Reduktionspeaks mit minimaler Peakseparierung, was konsistent ist mit einem Redoxprozess, der in porösen Elektroden mit sehr kleinen Poren stattfindet. Die Peakform und -separierung zwischen anodischen und kathodischen Peaks ist ähnlich derjenigen, die für eine Dünnschichtzelle beobachtet werden. Die Abhängigkeit des anodischen Peakstroms von der Abtastgeschwindigkeit zeigt eine nahezu lineare Abhängigkeit für Elektrode 184-28-1, aber eine gewisse Abweichung von der linearen Abhängigkeit wird für die Elektroden 184-28-3 und 184-28-4 beobachtet. Jede Compositmatte hat die gleiche Menge an Kohlenstoffnanotubes pro Einheitsfläche, aber die Zugabe der Kohlenstoff fasern zum Composit führt zu einer Zunahme der Dicke und damit des Elektrodenvolumens. Die Peakströme und die integrierten Ströme nehmen mit dem Elektrodenvolumen zu, wie auf Grund der erhöhten Mengen an Ferri-/Ferrocyanidlösung in der porösen Elektrode erwartet.All three carbon nanotube/carbon fiber composite electrodes showed very sharp oxidation and reduction peaks with minimal peak separation, which is consistent with a redox process taking place in porous electrodes with very small pores. The peak shape and separation between anodic and cathodic peaks is similar to that observed for a thin film cell. The dependence of the anodic peak current on the scan speed shows a nearly linear dependence for electrode 184-28-1, but some deviation from the linear dependence is observed for electrodes 184-28-3 and 184-28-4. Each composite mat has the same amount of carbon nanotubes per unit area, but the addition of the carbon fibers to the composite leads to an increase in thickness and thus in the electrode volume. The peak currents and the integrated Currents increase with electrode volume, as expected due to the increased amounts of ferric/ferrocyanide solution in the porous electrode.
Diese Resultate zeigen, dass die Porosität der Elektroden aus Fibrillenmatten durch die Bildung von Compositen mit Fasern größeren Durchmessers modifiziert werden können und einen Zugang zu größeren Materialmengen in der Lösungsphase ermöglichen. Außerdem bewahrt die Verwendung von leitenden Kohlenstofffasern die leitfähige Natur der Fibrillenmatten, indem die Fibrillen in den Matten mit den größeren Kohlenstofffasern im Composit verdünnt werden.These results demonstrate that the porosity of fibril mat electrodes can be modified by forming composites with larger diameter fibers, allowing access to larger amounts of material in the solution phase. Furthermore, the use of conductive carbon fibers preserves the conductive nature of the fibril mats by diluting the fibrils in the mats with the larger carbon fibers in the composite.
Die Kohlenstofffasern haben einen Durchmesser von ungefähr 7-8 um und die Fibrillen haben einen Durchmesser von ungefähr 0,01 um. Obwohl die Fibrillenmatte, welche zur Herstellung der Elektrode 184-28-4 verwendet wurde, 80% Kohlenstofffasern (w/w) enthält, tragen die Kohlenstofffasern folglich wenig zur Gesamtoberfläche der Elektrode bei. Dies wird durch Messungen der Doppelschichtkapazität der Aufladeströme bestätigt, die mit der elektrochemisch zugänglichen Oberfläche korrelieren. Die Doppelschicht-Aufladeströme wurden durch Aufnahme cyclischer Voltamogramme bei 10 mv/Sekunde in einem Elektrolyten, der nur 0,5 M KaSO&sub4; in Wasser enthielt, gemessen. Die Hälfte der Gesamtstromdifferenz zwischen den kathodischen und anodischen Sweeps der cyclischen Voltamogramme gemessen bei 0,0 V gegen Ag/AgCl, wurde als Doppelschicht-Aufladestrom (Ids) verwendet. Wie aus den Daten in Tabelle 13 ersichtlich ist, ist der Doppelschicht-Aufladestrom, normiert bezüglich der Elektrodenfläche und daher bezüglich der Fibrillenmatte, nahezu konstant, obwohl der Kohlenstofffasergehalt der Elektrodenmaterialien über einen weiten Bereich hinweg variiert. TABELLE 13 The carbon fibers have a diameter of approximately 7-8 µm and the fibrils have a diameter of approximately 0.01 µm. Thus, although the fibril mat used to prepare electrode 184-28-4 contains 80% carbon fibers (w/w), the carbon fibers contribute little to the total surface area of the electrode. This is confirmed by measurements of the double layer capacitance of the charging currents, which correlate with the electrochemically accessible surface area. The double layer charging currents were measured by recording cyclic voltammograms at 10 mv/second in an electrolyte containing only 0.5 M KaSO₄ in water. Half of the total current difference between the cathodic and anodic sweeps of the cyclic voltammograms measured at 0.0 V versus Ag/AgCl was used as the double layer charging current (Ids). As can be seen from the data in Table 13, the double-layer charging current, normalized with respect to the electrode area and therefore with respect to the fibril mat, is almost constant, although the carbon fiber content of the electrode materials varies over a wide range. TABLE 13
Eine 50-ml-Suspension von Kohlenstoffnanotubes in Wasser wurde mit einer Konzentration von 1 mg pro Milliliter hergestellt. Die Suspension wurde mit einer 450-Watt- Branson-Beschallungssonde bei voller Leistung mit 20%igem Betrieb 20 Minuten lang beschallt, um sicherzustellen, dass die Kohlenstoffnanotubes gut dispergiert sind. Die Dispersion wurde im Vakuum über einen 0,45-um-MSI-Nylonfilter in einer 47-mm- Millipore-Membranfilterverteilervorrichtung filtriert. Die Kohlenstoffnanotubes bildeten eine filzartige Matte, die von der Nylonmembran abgeschält und zwei Stunden lang bei 80ºC zwischen zwei Filterpapierstücken unter Gewichtseinfluss zur Aufrechterhaltung der Flachheit getrocknet wurde. Die Dicke (oder Höhe) der getrockneten Matte aus Kohlenstoffnanotubes betrug 8 Mil, gemessen mit Mikrometerschrauben. Ein bogenförmiger Stempel mit 13 mm wurde verwendet, um eine Scheibe der Matte aus Kohlenstoffnanotubes mit einem Durchmesser von 13 mm herzustellen.A 50 mL suspension of carbon nanotubes in water was prepared at a concentration of 1 mg per milliliter. The suspension was sonicated using a 450 watt Branson sonicator probe at full power with 20% operation for 20 minutes to ensure that the carbon nanotubes were well dispersed. The dispersion was vacuum filtered through a 0.45 µm MSI nylon filter in a 47 mm Millipore membrane filter manifold. The carbon nanotubes formed a felt-like mat, which was peeled off the nylon membrane and dried between two pieces of filter paper at 80ºC for two hours using weight to maintain flatness. The thickness (or height) of the dried carbon nanotube mat was 8 mils as measured with micrometer screws. A 13 mm arc-shaped punch was used to produce a disk of the carbon nanotube mat with a diameter of 13 mm.
Eine elektrochemische Durchflusszelle wurde aus einem Membranfilterhalter aus Plastik vom Swinney-Typ mit 13 mm konstruiert, indem eine Scheibe eines Goldsiebs mit einem Durchmesser von 13 mm (400 mesh, Ladd Industries) oben auf dem Membranträger angebracht wurde und ein elektrischer Kontakt zum Filtersieb mit einem Platindraht, isoliert mit einem Teflon®-Schrumpfschlauch, der durch die Wand des Filterhalters für eine externe Verbindung als Arbeitselektrode eines Drei-Elektroden- Potentiostatenschaltkreises zugeführt wurde, hergestellt wurde. Das Goldsieb wurde an seinem Platz mit einer minimalen Menge an Epoxyharz um den äußeren Rand herum fixiert. Ein Streifen Goldfolie wurde zu einem Ring geformt und am Boden, der Auslaufseite des Filterhalters, angebracht und mit einer Platindrahtleitung, welche durch die Wand des Filterhalters für externe Verbindungen als Gegenelektrode des Drei- Elektroden-Potentiostatenschaltkreises zugeführt wurde, verbunden. Ein Silberdrahtring mit einem Durchmesser von 0,5 mm wurde in 1M HCl elektrochemisch oxidiert, mit Wasser gewaschen und in dem oberen Bereich des Filterhalters mit dem Ende des Drahtes angebracht, der durch die Wand für externe Verbindungen als Referenzelektrode im Drei-Elektroden-Potentiostatenschaltkreis herausgeführt wurde. Die geeigneten externen Kontakte auf der Durchflusszelle wurden mit den Arbeits-, Gegen- und Referenzleitungen eines EG&G PAR 273-Potentiostaten verbunden. Die Durchflusszelle wurde mit einer Sage-Spritzenpumpe mit austauschbaren Spritzen für die Verwendung unterschiedlicher Lösungen verbunden. Anfängliche Hintergrundmessungen wurden in 0,5 M KiSO&sub4; durchgeführt, indem der cyclovoltametrische Response des Goldsiebs sowohl bezüglich des Ruhezustandes als auch des Durchlaufs bei 0,6 ml/Minute untersucht wurde. Es wurde zu einer Lösung übergegangen, die 2,5 mM Kaliumferricyanid, 2,5 mM Kaliumferrocyanid, 10 mM KCl und 0,5 M K&sub2;SO&sub4; in Wasser enthielt, und cyclische Voltamogramme wurden unter statischen Bedingungen und Durchflussbedingungen mit 0,4 ml/Minute aufgenommen. Es gab eine Differenz von 0,225 mA zwischen den anodischen und kathodischen Peakströmen bei einer Abtastgeschwindigkeit von 10 mv/Sekunde unter statischen Bedingungen ohne Durchfluss. Diese Kontrollexperimente zeigten, dass die Referenzelektrode unter Durchlaufbedingungen stabil war und legten die auf den Goldsiebträger zurückzuführenden Anteile des Hintergrundstroms fest.An electrochemical flow cell was constructed from a 13 mm Swinney-type plastic membrane filter holder by attaching a disk of 13 mm diameter gold mesh (400 mesh, Ladd Industries) to the top of the membrane support and making an electrical contact to the filter mesh with a platinum wire insulated with Teflon® shrink tubing that passed through the wall of the filter holder for external connection as the working electrode of a three-electrode potentiostat circuit. The gold screen was fixed in place with a minimal amount of epoxy resin around the outer edge. A strip of gold foil was formed into a ring and attached to the bottom, outlet side of the filter holder and connected to a platinum wire lead fed through the wall of the filter holder for external connections as the counter electrode of the three-electrode potentiostat circuit. A 0.5 mm diameter silver wire ring was electrochemically oxidized in 1M HCl, washed with water and attached to the top of the filter holder with the end of the wire fed out through the wall for external connections as the reference electrode in the three-electrode potentiostat circuit. The appropriate external contacts on the flow cell were connected to the working, counter and reference leads of an EG&G PAR 273 potentiostat. The flow cell was connected to a Sage syringe pump with interchangeable syringes for using different solutions. Initial background measurements were made in 0.5 M KiSO4 by examining the cyclic voltammetric response of the gold screen both at rest and when flowing at 0.6 mL/minute. A solution containing 2.5 mM potassium ferricyanide, 2.5 mM potassium ferrocyanide, 10 mM KCl, and 0.5 M K2SO4 in water was switched to and cyclic voltammograms were recorded under static and flow conditions at 0.4 mL/minute. There was a difference of 0.225 mA between the anodic and cathodic peak currents at a scan rate of 10 mV/second under static conditions with no flow. These control experiments demonstrated that the reference electrode was stable under flow conditions and established the proportions of the background current attributable to the gold screen support.
Die Mattenscheibe aus Kohlenstoffnanotuben mit 13 mm wurde oben auf dem Goldsieb angebracht, gefolgt von der Dichtung, ausgestattet mit dem Filterhalter und dem oberen Bereich des Filterhalters. Die Zelle wurde mit einer Lösung, enthaltend 2,5 mM Kaliumferricyanid, 2,5 mM Kaliumferrocyanid, 10 mM KCl und 0,5 M K&sub2;SO&sub4; in Wasser, durchgespült. Cyclische Voltamogramme für die Reduktion und Oxidation von Ferri-VFerrocyanid, aufgenommen unter statischen Bedingungen, zeigten Peakströme, die nahezu 50-mal größer waren als diejenigen, welche für das Goldsieb alleine beobachtet wurden. Es gab eine Differenz von 12 mA zwischen den anodischen und kathodischen Peakströmen bei einer Abtastgeschwindigkeit von 10 mv/Sekunde unter statischen Bedingungen ohne Durchlauf. Außerdem war die Form der cyclischen Voltamogramme, aufgenommen bei Abtastgeschwindigkeiten von 10, 20 und 40 mv/Sekunde, konsistent mit der Oxidation und Reduktion von Ferri-/Ferrocyanid, welches in der Porenstruktur der Matte aus Kohlenstoffnanotubes als Elektrode eingeschlossen ist. Ähnliche Formen bezüglich der cyclischen Voltametrie wurden unter Durchflussbedingungen mit einer Pumpgeschwindigkeit von 0,4 ml/Minute aufgenommen. Die Resultate werden in Abb. 8 gezeigt, die eine grafische Darstellung der Strom/Spannung-Beziehung für die Materialien ist, die gemäß Beispiel 8 hergestellt wurden, wobei die vertikal Achse den Strom repräsentiert und die horizontale Achse das angelegte Potenzial bei mehreren Potenzialabtastgeschwindigkeiten repräsentiert.The 13 mm carbon nanotube mat disk was placed on top of the gold screen, followed by the gasket fitted with the filter holder and the upper portion of the filter holder. The cell was filled with a solution containing 2.5 mM potassium ferricyanide, 2.5 mM potassium ferrocyanide, 10 mM KCl and 0.5 M K₂SO₄ in water. Cyclic voltamograms for the reduction and oxidation of ferri-/ferrocyanide recorded under static conditions showed peak currents that were nearly 50 times larger than those observed for the gold mesh alone. There was a difference of 12 mA between the anodic and cathodic peak currents at a scan rate of 10 mv/second under static conditions without sweeping. In addition, the shape of the cyclic voltamograms recorded at scan rates of 10, 20, and 40 mv/second was consistent with the oxidation and reduction of ferri-/ferrocyanide trapped in the pore structure of the carbon nanotube mat electrode. Similar shapes for cyclic voltammetry were recorded under flow conditions at a pump rate of 0.4 ml/minute. The results are shown in Figure 8, which is a graphical representation of the current/voltage relationship for the materials prepared according to Example 8, where the vertical axis represents the current and the horizontal axis represents the applied potential at several potential scanning speeds.
Die eingesetzten Begriffe und Ausdrücke werden als Begriffe der Beschreibung in nicht beschränkender Weise verwendet und bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke ist nicht beabsichtigt, Äquivalente von gezeigten und beschriebenen Merkmalen auszuschließen; es wird erkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches möglich sind.The terms and expressions employed are used as terms of description in a non-limiting sense and the use of such terms and expressions is not intended to exclude equivalents of features shown and described; it will be recognized that various modifications are possible within the scope of the invention.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erfindung eine Zusammensetzung umfasst und diese ein poröses Füllbett mit einer Vielzahl an Nanofasern und einer Anzahl an Gerüstteilchen umfasst, wobei das Füllbett eine Eigenschaft bezüglich der Flüssigkeitsdurchlaufgeschwindigkeit für Wasser von mehr als 0,5 ml/Minute/cm² bei einer Druckdifferenz über das Füllbett hinweg von etwa 1 atm aufweist, wenn das Füllbett eine Dicke von 25,4 um (ein Mil) besitzt. Die Zusammensetzung kann ein Füllbett mit einer Oberfläche von mehr als etwa 10 m²/g umfassen. Die Zusammensetzung kann Nanofasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 0,1 um und Gerüstteilchen mit einer ersten Abmessung von mehr als etwa 1 um und einer zweiten Abmessung von mehr als etwa 0,5 um umfassen.In summary, the invention comprises a composition comprising a porous packed bed comprising a plurality of nanofibers and a number of scaffold particles, the packed bed having a water fluid flow rate characteristic of greater than 0.5 ml/minute/cm2 at a pressure differential across the packed bed of about 1 atm when the packed bed has a thickness of 25.4 µm (one mil). The composition may comprise a packed bed having a surface area of greater than about 10 m2/g. The composition may Nanofibers having an average diameter of less than 0.1 µm and scaffold particles having a first dimension of greater than about 1 µm and a second dimension of greater than about 0.5 µm.
Die Zusammensetzung kann ein Füllbett umfassen, dieses umfassend 5 Gew.-% bis 50 Gew.-% Nanofasern und 90 Gew.-% bis 60 Gew.-% Gerüstteilchen. Die Zusammensetzung kann ein Füllbett umfassen, dieses umfassend ein festes Nicht- Hohlraumvolumen mit 1 Vol.-% bis 99 Vol.-% Nanofasern und 99 Vol.-% bis 1 Vol.- % Gerüstteilchen. Die Zusammensetzung kann ein Füllbett umfassen, dieses umfassend ein festes Nicht-Hohlraumvolumen mit 5 Vol.-% bis 50 Vol.-% Nanofasern und 90 Vol.-% bis 60 Vol.-% Gerüstteilchen.The composition may comprise a packed bed comprising 5 wt.% to 50 wt.% nanofibers and 90 wt.% to 60 wt.% scaffold particles. The composition may comprise a packed bed comprising a solid non-void volume containing 1 vol.% to 99 vol.% nanofibers and 99 vol.% to 1 vol.% scaffold particles. The composition may comprise a packed bed comprising a solid non-void volume containing 5 vol.% to 50 vol.% nanofibers and 90 vol.% to 60 vol.% scaffold particles.
Die Zusammensetzung kann Gerüstteilchen umfassen mit einer Form und einer Größe, die geeignet ist, einen Gerüsteffekt im Füllbett zu verursachen. Die Zusammensetzung kann Gerüstteilchen mit einer bestimmten Form umfassen, ausgewählt aus einer Faser, einem unregelmäßigen Festkörper, einer Kugel, einem Plättchen, einer Scheibe, einer Pyramide oder einem Würfel. Die Zusammensetzung kann Nanofasern und Gerüstteilchen, diese umfassend Kohlenstoff, umfassen.The composition may comprise scaffold particles having a shape and a size suitable for causing a scaffold effect in the packing bed. The composition may comprise scaffold particles having a specific shape selected from a fiber, an irregular solid, a sphere, a plate, a disk, a pyramid or a cube. The composition may comprise nanofibers and scaffold particles, these comprising carbon.
Die Zusammensetzung kann weiterhin teilchenförmige Additive umfassen, die im Füllbett dispergiert sind. Die Zusammensetzung kann teilchenförmige Additive umfassen, die in einer Menge im Bereich von 0,01 bis 25 Gew.-% vorliegen.The composition may further comprise particulate additives dispersed in the packed bed. The composition may comprise particulate additives present in an amount in the range of 0.01 to 25% by weight.
Diese Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Füllbettcomposits mit einer Vielzahl an Nanofasern und einer Anzahl an Gerüstteilchen, das die folgenden Schritte umfasst:This invention also relates to a method for producing a porous filled bed composite with a plurality of nanofibers and a number of scaffold particles, which comprises the following steps:
(a) Dispergieren der Nanofasern und der Gerüstteilchen in einem Medium unter Bildung einer Suspension; und(a) dispersing the nanofibers and the scaffold particles in a medium to form a suspension; and
(b) Abtrennen des Mediums von der Suspension unter Bildung des Füllbetts.(b) Separating the medium from the suspension to form the packed bed.
Das Verfahren kann ein Medium, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser und organischen Lösungsmitteln, umfassen.The method may comprise a medium selected from the group consisting of water and organic solvents.
Diese Erfindung betrifft weiterhin eine poröse Durchflusselektrode, umfassend ein poröses Füllbett mit einer Vielzahl an Nanofasern und einer Anzahl an Gerüstteilchen, wobei das Füllbett eine Porosität von mehr als 50% und eine Kennzahl bzw. Eigenschaft bezüglich der Flüssigkeitsdurchlaufgeschwindigkeit für Wasser von mehr als 0,5 ml/Minute/cm²/Mil Dicke bei einem Druck durch das Füllbett von etwa 1 atm aufweist, wenn das Füllbett eine Dicke von 25,4 um (1 Mil) besitzt.This invention further relates to a porous flow electrode comprising a porous packed bed having a plurality of nanofibers and a number of scaffold particles, wherein the packed bed has a porosity of greater than 50% and a water flow rate characteristic of greater than 0.5 ml/minute/cm2/mil thickness at a pressure through the packed bed of about 1 atm when the packed bed has a thickness of 25.4 µm (1 mil).
Die poröse Durchflusselektrode kann für das elektrische Verbinden der Elektrode ein Mittel umfassen, welches ein leitfähiger Draht oder eine leitfähige ebene Oberfläche in leitendem Kontakt mit der Elektrode ist. Die poröse Durchflusselektrode kann für das elektrische Verbinden der Elektrode ein Mittel umfassen, das eine Stromsammelvorrichtung ist, die einen Träger für das Füllbett zur Verfügung stellt.The porous flow electrode may comprise a means for electrically connecting the electrode, which is a conductive wire or a conductive planar surface in conductive contact with the electrode. The porous flow electrode may comprise a means for electrically connecting the electrode, which is a current collection device that provides a support for the packed bed.
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